يُظهر عرض هذا الفنان منظرًا لمجرتنا درب التبانة وشريطها المركزي كما قد يظهر إذا تم عرضها من الأعلى. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / R. هيرت (SSC)
كيف يمكن قياس المادة المظلمة في النظام الشمسي
صور درب التبانة تظهر بلايين النجوم مرتبة في نمط حلزوني تشع من المركز ، مع وجود غاز مضاء في المنتصف. لكن أعيننا يمكنها فقط أن تلمح سطح ما يربط مجرتنا معًا. حوالي 95٪ من كتلة مجرتنا غير مرئية ولا تتفاعل مع الضوء. إنه مصنوع من مادة غامضة تسمى المادة المظلمة ، والتي لم يتم قياسها بشكل مباشر.
الآن ، دراسة جديدة تحسب كيفية تأثير جاذبية المادة المظلمة على الأجسام في نظامنا الشمسي ، بما في ذلك المركبات الفضائية والمذنبات البعيدة. كما يقترح طريقة يمكن من خلالها ملاحظة تأثير المادة المظلمة بشكل مباشر من خلال تجربة مستقبلية. تم نشر المقال في الإشعارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية.
قال جيم جرين ، مؤلف مشارك في الدراسة ومستشار لـ وكالة ناسامكتب كبير العلماء. "هذه هي الفكرة الأولى لكيفية القيام بذلك وأين سنفعله."
مادة مظلمة في باحتنا الخلفية
هنا على الأرض ، تمنعنا جاذبية كوكبنا من الطيران من مقاعدنا ، وتحافظ جاذبية الشمس على كوكبنا يدور في مدار 365 يومًا. لكن كلما ابتعدت المركبة الفضائية عن الشمس ، قل شعورها بجاذبية الشمس ، وكلما شعرت بمصدر مختلف للجاذبية: مصدر الجاذبية للمادة من باقي المجرة ، والتي هي في الغالب مادة مظلمة. إن كتلة 100 مليار نجم في مجرتنا صغيرة جدًا مقارنة بتقديرات محتوى المادة المظلمة في مجرة درب التبانة.
لفهم تأثير المادة المظلمة في النظام الشمسي ، قام مؤلف الدراسة الرئيسي إدوارد بيلبرونو بحساب "قوة المجرة" ، وهي قوة الجاذبية الكلية للمادة العادية مجتمعة مع المادة المظلمة من المجرة بأكملها. وجد أنه في النظام الشمسي ، حوالي 45 في المائة من هذه القوة من المادة المظلمة و 55 في المائة من الطبيعي ، ما يسمى بـ "المادة الباريونية". يشير هذا إلى انقسام نصف ونصف تقريبًا بين كتلة المادة المظلمة والمادة العادية في النظام الشمسي.
قال بيلبرونو ، عالم الرياضيات والفيزياء الفلكية في جامعة برينستون وجامعة يشيفا. "هذا ما يفسره حقيقة أن معظم المادة المظلمة موجودة في الأجزاء الخارجية من مجرتنا ، بعيدًا عن نظامنا الشمسي."
منطقة كبيرة تسمى "هالة" من المادة المظلمة تحيط بدرب التبانة وتمثل أكبر تركيز للمادة المظلمة في المجرة. هناك القليل من المواد الطبيعية في الهالة. قال المؤلفون إنه إذا كان النظام الشمسي يقع على مسافة أكبر من مركز المجرة ، فسيشعر بتأثيرات نسبة أكبر من المادة المظلمة في قوة المجرة لأنها ستكون أقرب إلى هالة المادة المظلمة.
في تصور هذا الفنان ، تمتلك مركبة الفضاء فوييجر 1 التابعة لناسا رؤية شاملة للنظام الشمسي. تمثل الدوائر مدارات الكواكب الخارجية الرئيسية: كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون. تم إطلاق فوييجر 1977 في عام 1 ، وزار كوكب المشتري وزحل. المركبة الفضائية الآن على بعد أكثر من 14 مليار ميل من الأرض ، مما يجعلها أبعد جسم صنعه الإنسان على الإطلاق. في الواقع ، تقوم فوييجر 1 الآن بتكبير الفضاء بين النجوم ، المنطقة الواقعة بين النجوم المليئة بالغاز والغبار والمواد المعاد تدويرها من النجوم المحتضرة. الائتمان: NASA و ESA و G. Bacon (STScI)
كيف يمكن للمادة المظلمة أن تؤثر على المركبات الفضائية
توقع جرين وبلبرونو أن جاذبية المادة المظلمة تتفاعل بشكل طفيف مع جميع المركبات الفضائية التي أرسلتها ناسا في مسارات تؤدي إلى خارج النظام الشمسي ، وفقًا للدراسة الجديدة.
قال بيلبرونو: "إذا تحركت المركبة الفضائية عبر المادة المظلمة لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، فإن مساراتها ستتغير ، ومن المهم أن يؤخذ هذا في الاعتبار عند التخطيط لمهمة معينة في المستقبل".
قد تتضمن هذه المركبة الفضائية المسبار المتقاعد Pioneer 10 و 11 الذي تم إطلاقه في 1972 و 1973 على التوالي ؛ مسبار فوييجر 1 و 2 اللذان تم استكشافهما منذ أكثر من 40 عامًا ودخلوا الفضاء بين النجوم ؛ ومركبة نيو هورايزونز الفضائية التي حلقت بها بلوتو وأروكوث في حزام كويبر.
لكن تأثيره ضئيل. بعد السفر لمليارات الأميال ، سينحرف مسار مركبة فضائية مثل بايونير 10 بحوالي 5 أقدام (1.6 متر) فقط بسبب تأثير المادة المظلمة. قال جرين: "إنهم يشعرون بالفعل بتأثير المادة المظلمة ، لكنها صغيرة جدًا ، ولا يمكننا قياسها".
أين تتولى القوة المجرية؟
على مسافة معينة من الشمس ، تصبح قوة المجرة أقوى من جاذبية الشمس ، والتي تتكون من مادة عادية. حسب بيلبرونو وجرين أن هذا الانتقال يحدث في حوالي 30,000 وحدة فلكية ، أو 30,000 ضعف المسافة من الأرض إلى الشمس. هذا أبعد من مسافة بلوتو ، لكنه لا يزال داخل سحابة أورت ، وهي عبارة عن سرب من ملايين المذنبات يحيط بالنظام الشمسي ويمتد إلى 100,000 وحدة فلكية.
هذا يعني أن جاذبية المادة المظلمة يمكن أن تلعب دورًا في مسار أشياء مثل أومواموا ، مذنب على شكل سيجار أو كويكب جاء من نظام نجمي آخر ومرر عبر النظام الشمسي الداخلي في عام 2017. يمكن تفسير سرعته السريعة بشكل غير عادي يقول المؤلفون إن جاذبية المادة المظلمة تدفعها لملايين السنين.
إذا كان هناك كوكب عملاق في الروافد الخارجية للنظام الشمسي ، يسمى كائن افتراضي الكوكب 9 أو الكوكب X. التي كان العلماء يبحثون عنها في السنوات الأخيرة ، فإن المادة المظلمة ستؤثر أيضًا على مدارها. كتب جرين وبلبرونو أنه إذا كان هذا الكوكب موجودًا ، فقد تدفعه المادة المظلمة بعيدًا عن المنطقة التي يبحث عنها العلماء حاليًا. ربما تسببت المادة المظلمة أيضًا في هروب بعض مذنبات سحابة أورت من مدار الشمس تمامًا.
هل يمكن قياس جاذبية المادة المظلمة؟
لقياس تأثيرات المادة المظلمة في النظام الشمسي ، لن تضطر المركبة الفضائية بالضرورة إلى السفر إلى هذا الحد. قال جرين وبلبرونو إنه على مسافة 100 وحدة فلكية ، يمكن للمركبة الفضائية ذات التجربة الصحيحة أن تساعد علماء الفلك في قياس تأثير المادة المظلمة مباشرة.
على وجه التحديد ، قد تتمكن المركبة الفضائية المجهزة بقوة النظائر المشعة ، وهي تقنية سمحت لبيونير 10 و 11 ، وفوييجر ، ونيو هورايزون بالتحليق بعيدًا جدًا عن الشمس ، من إجراء هذا القياس. يمكن لمركبة فضاء كهذه أن تحمل كرة عاكسة وتسقطها على مسافة مناسبة. ستشعر الكرة بقوى المجرة فقط ، بينما ستواجه المركبة الفضائية قوة حرارية من العنصر المشع المتحلل في نظام طاقتها ، بالإضافة إلى قوى المجرة. بطرح القوة الحرارية ، يمكن للباحثين بعد ذلك النظر في كيفية ارتباط قوة المجرة بالانحرافات في مسارات كل من الكرة والمركبة الفضائية. سيتم قياس هذه الانحرافات بالليزر حيث يطير الجسمان بالتوازي مع بعضهما البعض.
يُعد مفهوم المهمة المقترح المسمى Interstellar Probe ، والذي يهدف إلى السفر إلى حوالي 500 وحدة فلكية من الشمس لاستكشاف تلك البيئة المجهولة ، أحد الاحتمالات لمثل هذه التجربة.
يتم عرض صورتين من هابل للعنقود المجري الضخم Cl 0024 + 17 (ZwCl 0024 + 1652). إلى اليسار هو المنظر في الضوء المرئي مع ظهور أقواس زرقاء غريبة المظهر بين المجرات الصفراء. هذه هي الصور المكبرة والمشوهة للمجرات الموجودة خلف الكتلة. ينحني ضوءهم ويتضخم بفعل الجاذبية الهائلة للعنقود في عملية تسمى عدسة الجاذبية. إلى اليمين ، تمت إضافة تظليل أزرق للإشارة إلى موقع المادة غير المرئية التي تسمى المادة المظلمة والمطلوبة رياضيًا لتفسير طبيعة ومكان المجرات ذات العدسات الجاذبية التي يتم رؤيتها. الائتمان: NASA و ESA و MJ Jee و H. Ford (جامعة جونز هوبكنز)
المزيد عن المادة المظلمة
تم اقتراح المادة المظلمة ككتلة خفية في المجرات لأول مرة في الثلاثينيات من قبل فريتز زويكي. لكن الفكرة ظلت مثيرة للجدل حتى الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، عندما أكد فيرا سي روبن وزملاؤه أن حركات النجوم حول مراكزهم المجرية لن تتبع قوانين الفيزياء إذا كان الأمر يتعلق فقط بالمادة الطبيعية. لا يمكن إلا لمصدر كتلة مخفي ضخم أن يفسر سبب تحرك النجوم في ضواحي المجرات الحلزونية مثل مجراتنا بالسرعة نفسها التي تتحرك بها.
اليوم ، تعد طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكبر الألغاز في جميع الفيزياء الفلكية. مراصد قوية مثل تلسكوب هابل الفضائي وقد ساعد مرصد شاندرا للأشعة السينية العلماء على البدء في فهم تأثير وتوزيع المادة المظلمة في الكون ككل. اكتشف هابل العديد من المجرات التي تساهم مادتها المظلمة في تأثير يسمى "العدسة، "حيث تعمل الجاذبية على ثني الفضاء وتضخيم صور المجرات البعيدة.
سيتعلم علماء الفلك المزيد عن المادة المظلمة في الكون باستخدام أحدث مجموعة من التلسكوبات الحديثة. وكالة ناسا جيمس ويب تليسكوب الفضاءالتي تم إطلاقها في 25 ديسمبر 2021 ، ستساهم في فهمنا للمادة المظلمة من خلال التقاط الصور والبيانات الأخرى للمجرات ومراقبة تأثيرات العدسة الخاصة بها. من المقرر إطلاق تلسكوب نانسي جريس الروماني للفضاء التابع لوكالة ناسا ، والذي من المقرر إطلاقه في منتصف عام 2020 ، لإجراء مسوحات لأكثر من مليار مجرة للنظر في تأثير المادة المظلمة على أشكالها وتوزيعاتها.
وستستهدف مهمة إقليدس القادمة لوكالة الفضاء الأوروبية ، والتي تساهم بها وكالة ناسا ، المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، بالنظر إلى الوراء في الزمن الذي يقارب 10 مليارات سنة إلى الفترة التي بدأت فيها الطاقة المظلمة في تسريع توسع الكون. وسيضيف مرصد Vera C. Rubin ، وهو تعاون بين مؤسسة العلوم الوطنية ووزارة الطاقة وغيرهما ، والذي هو قيد الإنشاء في تشيلي ، بيانات قيمة إلى هذا اللغز الخاص بالجوهر الحقيقي للمادة المظلمة.
لكن هذه الأدوات القوية مصممة للبحث عن التأثيرات القوية للمادة المظلمة عبر مسافات كبيرة ، وأبعد بكثير مما هي عليه في نظامنا الشمسي ، حيث يكون تأثير المادة المظلمة أضعف بكثير.
قال بيلبرونو: "إذا كان بإمكانك إرسال مركبة فضائية إلى هناك لرصدها ، فسيكون ذلك اكتشافًا كبيرًا".
المرجع: "عند مغادرة النظام الشمسي: المادة المظلمة تحدث فرقًا" بقلم إدوارد بيلبرونو وجيمس جرين ، 4 يناير 2022 ، الإشعارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
