Темная сущность в ядре

Открытие темной материи, которая лишь гравитационно взаимодействует с веществом, добавляет к строению ядра Земли еще одну сложность. Вообще-то считается, что темная материя образует гало вокруг каждой галактики. Внутрь галактики она не попадает. Однако в 2012 году Сильвия Гарбани из Цюрихского университета с коллегами из Института астрономии Общества Макса Планка и цюрихского Института астрономии проанализировала движения ближайших к нам звезд, так называемого локального скопления, и посчитала, что темная материя в нем имеется в количестве примерно 0,025 солнечной массы на кубический парсек («Monthly Notices of the Royal Astronomical Society», 2012, 425, 2, 1445—1458; doi: 10.1111/j.13652966.2012.21608.x; arXiv:1206.0015v2). Очевидно, что, двигаясь сквозь это локальное облако, Солнечная система заметает частицы темной материи. И если относительная скорость такой частицы оказывается меньше первой космической скорости столкнувшегося с ней массивного тела, например Земли или Солнца, частица неизбежно захватывается массивным телом и начинает в него падать под действием силы тяжести. Падает до тех пор, пока не достигнет минимума силы тяготения. А этот минимум номинально находится в центре массивного тела, где силы, действующие с разных сторон, одинаковы и равнодействующая оказывается равной нулю. Получается, что если частицы темной материи долгоживущие, то в центре Земли, Солнца и других планет станут образовываться сгустки темной материи тем большьшего размера, чем больше масса этого тела. Более того, такой сгусток не находится в покое, а совершает движения под действием приливов, вызванных прежде всего Луной, а также, в гораздо меньшей степени, другим телами Солнечной системы.

А велик ли сгусток? Посчитаем его размер для Земли. Для этого нужно сначала умножить путь, проходимый Землей за год, на площадь поперечного сечения планеты. Этот путь состоит из двух частей — орбитального движения со скоростью 30 км/с и следования вместе с Солнцем по галактической орбите со скоростью 230 км/с. С учетом того, что в году 365 х 24 х 3600=3,15⋅10⁷ секунд, получаем 95⋅10⁷ и 724⋅10⁷ км соответственно. Площадь поперечного сечения Земли 3,14 х 6371²= 127.10⁶ км². Перемножив эту площадь на суммарный путь, узнаем, что за год Земля заметает 1.10¹⁸ км³. Поскольку один парсек — это 3,1⋅10¹³ км, такой объем равен 3⋅10^-20 пк³. Масса темной материи в нем составляет 0,025х3⋅10^-20=7,5⋅10^-22 масс Солнца, или с учетом того, что масса Солнца 2⋅10³⁰ кг, — 1,5⋅10⁹ кг. О том, сколько из встреченных на этом пути частиц способно войти в темное гало Земли (то есть какая их доля имеет относительную скорость менее 8 км/с), судить трудно, ведь свойства частиц темной материи, а тем более кинематика ее локального облака, практически неизвестны. Однако можно предположить, что темная материя локального скопления, будучи связана с ним гравитационно, также движется по галактической орбите. В этом случае скорость движения таких частиц относительно Солнечной системы может оказаться невелика, и тогда предположение, что вся заметенная темная материя собирается в гало вокруг планеты, а затем падает в нее, будет не столь уж далеко от истины. Впрочем, если в Земле тонет лишь каждая десятая частица, качественно результат не меняется: миллион тонн материи, размазанный по миллиардам кубических километров, заметить невозможно.

Однако за 4,5 млрд. лет существования Земля должна замести уже гораздо больше темной материи, а именно 7⋅10¹⁸ кг. Утонув в Земле и собравшись в ее центре, они дадут сгусток. Если его плотность такая же, как у вещества в центре Земли, — 13,5 т/м³, то объем сгустка составит 5⋅10¹⁴ м³ — шар диаметром в сто километров. На силе тяжести Земли такая добавка (а масса сгустка примерно пять тысячных долей процента от массы ядра) не скажется, поэтому не оправдываются надежды создать переменную гравитацию планеты за счет ее утяжеления при захвате темной материи. (Об этом мечтают авторы фантастических гипотез, объясняющих полеты птеранодонов и строительство мегалитов.) А вот на кинематику ядра и соответственно выделение им тепла колеблющийся внутри сгусток повлиять может за счет трения о вещество. Видимо, климатологам придется скоро и его учитывать для построения адекватных моделей. Во всяком случае, Стивен Уэст из Лондонского университета (см. «Химию и жизнь» 2010 №9) уже предлагает использовать аналогичный сгусток темной материи для объяснения аномалий температуры Солнца, которые несколько расходятся с имеющейся теорией звезды.