Hierdie kunstenaar se weergawe toon 'n aansig van ons eie Melkwegsterrestelsel en sy sentrale balk soos dit kan lyk as dit van bo af gesien word. Krediet: NASA/JPL-Caltech/R. Seer (SSC)
Hoe donker materie in die sonnestelsel gemeet kon word
Foto's van die Melkweg wys miljarde sterre wat in 'n spiraalpatroon gerangskik is wat uit die middel uitstraal, met verligte gas tussenin. Maar ons oë kan net die oppervlak sien van wat ons sterrestelsel bymekaar hou. Ongeveer 95 persent van die massa van ons sterrestelsel is onsigbaar en is nie in wisselwerking met lig nie. Dit is gemaak van 'n geheimsinnige stof genaamd donker materie, wat nog nooit direk gemeet is nie.
Nou, 'n nuwe studie bereken hoe donker materie se swaartekrag voorwerpe in ons sonnestelsel beïnvloed, insluitend ruimtetuie en verre komete. Dit stel ook 'n manier voor waarop donker materie se invloed direk met 'n toekomstige eksperiment waargeneem kan word. Die artikel is gepubliseer in die Maandelikse kennisgewings van die Royal Astronomical Society.
"Ons voorspel dat as jy ver genoeg in die sonnestelsel uitkom, jy eintlik die geleentheid het om die donker materie krag te begin meet," het Jim Green, studie mede-outeur en adviseur vir NASAse kantoor van die hoofwetenskaplike. "Dit is die eerste idee van hoe om dit te doen en waar ons dit sal doen."
Donker materie in ons agterplaas
Hier op aarde hou ons planeet se swaartekrag ons daarvan om uit ons stoele te vlieg, en die son se swaartekrag hou ons planeet in 'n 365-dae-skedule wentel. Maar hoe verder 'n ruimtetuig van die Son af vlieg, hoe minder voel dit die Son se swaartekrag, en hoe meer voel dit 'n ander swaartekragbron: dié van die materie van die res van die sterrestelsel, wat meestal donker materie is. Die massa van ons sterrestelsel se 100 miljard sterre is min in vergelyking met skattings van die Melkweg se donker materie-inhoud.
Om die invloed van donker materie in die sonnestelsel te verstaan, het hoofstudieskrywer Edward Belbruno die "galaktiese krag" bereken, die algehele gravitasiekrag van normale materie gekombineer met donker materie van die hele sterrestelsel. Hy het gevind dat in die sonnestelsel ongeveer 45 persent van hierdie krag van donker materie afkomstig is en 55 persent van normale, sogenaamde "barioniese materie". Dit dui op 'n ongeveer half-en-half verdeling tussen die massa donker materie en normale materie in die sonnestelsel.
"Ek was 'n bietjie verras deur die relatief klein bydrae van die galaktiese krag as gevolg van donker materie wat in ons sonnestelsel gevoel word in vergelyking met die krag as gevolg van die normale materie," sê Belbruno, wiskundige en astrofisikus by Princeton Universiteit en Yeshiva Universiteit. "Dit word verklaar deur die feit dat die meeste donker materie in die buitenste dele van ons sterrestelsel is, ver van ons sonnestelsel."
'n Groot gebied wat 'n "halo" van donker materie genoem word, omring die Melkweg en verteenwoordig die grootste konsentrasie van die donker materie van die sterrestelsel. Daar is min tot geen normale materie in die stralekrans nie. As die sonnestelsel op 'n groter afstand van die middel van die sterrestelsel geleë was, sou dit die uitwerking van 'n groter deel van donker materie in die galaktiese krag voel omdat dit nader aan die donker materie-stralekrans sou wees, het die skrywers gesê.
In hierdie kunstenaar se konsepsie het NASA se Voyager 1-ruimtetuig 'n voëlvlugoorsig van die sonnestelsel. Die sirkels verteenwoordig die wentelbane van die belangrikste buitenste planete: Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Voyager 1977, wat in 1 gelanseer is, het die planete Jupiter en Saturnus besoek. Die ruimtetuig is nou meer as 14 miljard myl van die aarde af, wat dit die verste mensgemaakte voorwerp maak wat ooit gebou is. Trouens, Voyager 1 zoem nou deur die interstellêre ruimte, die gebied tussen die sterre wat gevul is met gas, stof en materiaal wat van sterwende sterre herwin is. Krediet: NASA, ESA en G. Bacon (STScI)
Hoe donker materie ruimtetuie kan beïnvloed
Green en Belbruno voorspel dat donker materie se swaartekrag ooit so effens in wisselwerking is met al die ruimtetuie wat NASA gestuur het op paaie wat uit die sonnestelsel lei, volgens die nuwe studie.
"As ruimtetuie lank genoeg deur die donker materie beweeg, word hul bane verander, en dit is belangrik om in ag te neem vir sendingbeplanning vir sekere toekomstige missies," het Belbruno gesê.
Sulke ruimtetuie kan die afgetrede Pioneer 10 en 11 sondes insluit wat onderskeidelik in 1972 en 1973 gelanseer is; die Voyager 1- en 2-sondes wat al meer as 40 jaar verken het en die interstellêre ruimte binnegegaan het; en die New Horizons-ruimtetuig wat verbygevlieg het Pluto en Arrokoth in die Kuipergordel.
Maar dit is 'n klein effek. Nadat hy miljarde kilometers afgelê het, sou die pad van 'n ruimtetuig soos Pioneer 10 slegs met ongeveer 5 voet (1.6 meter) afwyk as gevolg van die invloed van donker materie. "Hulle voel wel die effek van donker materie, maar dit is so klein dat ons dit nie kan meet nie," het Green gesê.
Waar neem die galaktiese krag oor?
Op 'n sekere afstand van die Son af word die galaktiese krag kragtiger as die trekkrag van die Son, wat van normale materie gemaak is. Belbruno en Green het bereken dat hierdie oorgang by ongeveer 30,000 30,000 astronomiese eenhede plaasvind, of 100,000 XNUMX keer die afstand van die Aarde na die Son. Dit is ver verby die afstand van Pluto, maar steeds binne die Oortwolk, 'n swerm van miljoene komete wat die sonnestelsel omring en tot XNUMX XNUMX astronomiese eenhede strek.
Dit beteken dat donker materie se swaartekrag 'n rol kon gespeel het in die trajek van voorwerpe soos 'Oumuamua, die sigaarvormige komeet of asteroïde wat van 'n ander sterstelsel gekom het en in 2017 deur die binneste sonnestelsel gegaan het. Sy buitengewoon vinnige spoed kon verklaar word deur donker materie se swaartekrag wat miljoene jare daarop druk, sê die skrywers.
As daar 'n reusagtige planeet in die buitenste bereik van die sonnestelsel is, word 'n hipotetiese voorwerp genoem Planeet 9 of Planeet X waarna wetenskaplikes die afgelope jare gesoek het, sou donker materie ook sy wentelbaan beïnvloed. As hierdie planeet bestaan, kan donker materie dit dalk selfs wegstoot van die gebied waar wetenskaplikes tans daarna soek, skryf Green en Belbruno. Donker materie het moontlik ook veroorsaak dat sommige van die Oortwolk-komete heeltemal uit die wentelbaan van die Son ontsnap het.
Kan donker materie se swaartekrag gemeet word?
Om die uitwerking van donker materie in die sonnestelsel te meet, sal 'n ruimtetuig nie noodwendig so ver hoef te reis nie. Op 'n afstand van 100 astronomiese eenhede kan 'n ruimtetuig met die regte eksperiment sterrekundiges help om die invloed van donker materie direk te meet, het Green en Belbruno gesê.
Spesifiek, 'n ruimtetuig toegerus met radio-isotoopkrag, 'n tegnologie wat Pioneer 10 en 11, die Voyagers en New Horizon toegelaat het om baie ver van die Son af te vlieg, kan hierdie meting moontlik maak. So 'n ruimtetuig kan 'n reflektiewe bal dra en dit op 'n gepaste afstand laat val. Die bal sou slegs galaktiese kragte voel, terwyl die ruimtetuig 'n termiese krag sou ervaar van die verrottende radioaktiewe element in sy kragstelsel, benewens die galaktiese kragte. Deur die termiese krag af te trek, kan navorsers kyk hoe die galaktiese krag verband hou met afwykings in die onderskeie trajekte van die bal en die ruimtetuig. Daardie afwykings sal met 'n laser gemeet word aangesien die twee voorwerpe parallel aan mekaar vlieg.
'n Voorgestelde sendingkonsep genaamd Interstellar Probe, wat daarop gemik is om na ongeveer 500 astronomiese eenhede vanaf die Son te reis om daardie ongekarteerde omgewing te verken, is een moontlikheid vir so 'n eksperiment.
Twee aansigte vanaf Hubble van die massiewe sterrestelselswerm Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) word getoon. Aan die linkerkant is die aansig in sigbare lig met vreemd lykende blou boë wat tussen die gelerige sterrestelsels verskyn. Dit is die vergrote en verwronge beelde van sterrestelsels wat ver agter die swerm geleë is. Hulle lig word gebuig en versterk deur die geweldige swaartekrag van die groep in 'n proses wat gravitasielens genoem word. Regs is 'n blou skakering bygevoeg om die ligging aan te dui van onsigbare materiaal genaamd donker materie wat wiskundig vereis word om die aard en plasing van die gravitasielens-sterrestelsels wat gesien word, te verantwoord. Krediet: NASA, ESA, MJ Jee en H. Ford (Johns Hopkins Universiteit)
Meer oor donker materie
Donker materie as 'n verborge massa in sterrestelsels is die eerste keer in die 1930's deur Fritz Zwicky voorgestel. Maar die idee het omstrede gebly tot in die 1960's en 1970's, toe Vera C. Rubin en kollegas bevestig het dat die bewegings van sterre om hul galaktiese middelpunte nie die wette van fisika sou volg as net normale materie betrokke was nie. Slegs 'n reusagtige versteekte bron van massa kan verklaar waarom sterre aan die buitewyke van spiraalsterrestelsels soos ons s'n so vinnig beweeg as wat hulle doen.
Vandag is die aard van donker materie een van die grootste raaisels in die hele astrofisika. Kragtige sterrewagte soos die Hubble-ruimteteleskoop en die Chandra X-Ray Observatory het wetenskaplikes gehelp om die invloed en verspreiding van donker materie in die heelal in die algemeen te verstaan. Hubble het baie sterrestelsels verken wie se donker materie bydra tot 'n effek genaamd "lensing,” waar swaartekrag die ruimte self buig en beelde van meer verafgeleë sterrestelsels vergroot.
Sterrekundiges sal meer leer oor donker materie in die kosmos met die nuutste stel moderne teleskope. Die van NASA James Webb Space Telescope, wat op 25 Desember 2021 bekendgestel is, sal bydra tot ons begrip van donker materie deur beelde en ander data van sterrestelsels te neem en hul lenseffekte waar te neem. NASA se Nancy Grace Romeinse ruimteteleskoop, wat in die middel van die 2020's gelanseer sal word, sal opnames van meer as 'n miljard sterrestelsels doen om te kyk na die invloed van donker materie op hul vorms en verspreidings.
Die Europese Ruimte-agentskap se komende Euclid-sending, wat 'n NASA-bydrae het, sal ook donker materie en donker energie teiken, en kyk terug in tyd ongeveer 10 miljard jaar na 'n tydperk toe donker energie die heelal se uitbreiding begin verhaas het. En die Vera C. Rubin-sterrewag, 'n samewerking van die Nasionale Wetenskapstigting, die Departement van Energie en ander, wat in Chili onder konstruksie is, sal waardevolle data by hierdie legkaart van donker materie se ware essensie voeg.
Maar hierdie kragtige gereedskap is ontwerp om te soek na donker materie se sterk effekte oor groot afstande, en baie verder as in ons sonnestelsel, waar donker materie se invloed soveel swakker is.
"As jy 'n ruimtetuig daarheen kon stuur om dit op te spoor, sou dit 'n groot ontdekking wees," het Belbruno gesê.
Verwysing: "Wanneer jy die Sonnestelsel verlaat: Donker materie maak 'n verskil" deur Edward Belbruno en James Green, 4 Januarie 2022, Maandelikse kennisgewings van die Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
