系外惑星を用いたダークマター研究(Using exoplanets to study dark matter)

2025-08-21 カリフォルニア大学リバーサイド校(UCR)

カリフォルニア大学リバーサイド校の研究者は、外惑星を利用してダークマターの存在を検証する新手法を提案しました。理論によれば、重くて消滅しないタイプのダークマター粒子は長期間にわたり惑星内部へ蓄積し、やがて中心部で小さなブラックホールを形成する可能性があります。ブラックホールは惑星全体を崩壊させ、質量相当のブラックホールへ変化させうるとされます。特に銀河中心のようなダークマター密度の高い領域では、この現象が観測可能な時間スケールで起こり得ると予測されました。これまで惑星質量のブラックホールは確認されておらず、発見されれば大きな理論的進展になります。一方、存在が見られない場合は特定のダークマターモデルを否定できる可能性もあり、今後の観測による検証が期待されています。

<関連情報>

系外惑星を用いて超重暗黒物質を調査する Probing superheavy dark matter with exoplanets

Mehrdad Phoroutan-Mehr and Tara Fetherolf
Physical Review D  Published: 20 August, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/qkwt-kd9q

Abstract

Exoplanets, with their large volumes and low temperatures, are ideal celestial detectors for probing dark matter (DM) interactions. DM particles can lose energy through scattering with the planetary interior and become gravitationally captured if their interaction with the visible sector is sufficiently strong. In the absence of annihilation, the captured DM thermalizes and accumulates at the planet’s center, eventually collapsing into black holes (BHs). Using gaseous exoplanets as an example, we demonstrate that BH formation can occur within an observable timescale for superheavy DM with masses greater than 106  GeV and nuclear scattering cross sections. The BHs may either accrete the planetary medium or evaporate via Hawking radiation, depending on the mass of the DM that formed them. We explore the possibility of periodic BH formation within the unconstrained DM parameter space and discuss potential detection methods, including observations of planetary-mass objects, pulsed high-energy cosmic rays, and variations in exoplanet temperatures. Our findings suggest that future extensive exoplanet observations could provide complementary opportunities to terrestrial and cosmological searches for superheavy DM.

1701物理及び化学
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