Ztvárnění tohoto umělce ukazuje pohled na naši vlastní Galaxii Mléčná dráha a její centrální lištu, jak by se mohla zdát při pohledu shora. Poděkování: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)
Jak by mohla být měřena temná hmota ve sluneční soustavě
Obrázky z mléčná dráha ukazují miliardy hvězd uspořádaných do spirály vyzařující ze středu, s osvětleným plynem mezi nimi. Ale naše oči mohou jen letmo zahlédnout povrch toho, co drží naši galaxii pohromadě. Asi 95 procent hmoty naší galaxie je neviditelných a neinteraguje se světlem. Je vyroben ze záhadné látky zvané temná hmota, která nikdy nebyla přímo změřena.
Nyní nová studie vypočítává, jak gravitace temné hmoty ovlivňuje objekty v naší sluneční soustavě, včetně kosmických lodí a vzdálených komet. Navrhuje také způsob, jak by bylo možné přímo pozorovat vliv temné hmoty v budoucím experimentu. Článek je zveřejněn v Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
„Předpokládáme, že pokud se dostanete dostatečně daleko do sluneční soustavy, budete mít skutečně příležitost začít měřit sílu temné hmoty,“ řekl Jim Green, spoluautor studie a poradce společnosti NASAKancelář hlavního vědce. "Toto je první nápad, jak to udělat a kde bychom to udělali."
Temná hmota na našem dvorku
Zde na Zemi nám gravitace naší planety brání vylétnout ze židlí a gravitace Slunce udržuje naši planetu na oběžné dráze podle 365denního plánu. Ale čím dále od Slunce kosmická loď letí, tím méně cítí gravitaci Slunce a tím více pociťuje jiný zdroj gravitace: zdroj hmoty ze zbytku galaxie, což je většinou temná hmota. Hmotnost 100 miliard hvězd naší galaxie je nepatrná ve srovnání s odhady obsahu temné hmoty v Mléčné dráze.
Pro pochopení vlivu temné hmoty ve sluneční soustavě vypočítal hlavní autor studie Edward Belbruno „galaktickou sílu“, celkovou gravitační sílu normální hmoty v kombinaci s temnou hmotou z celé galaxie. Zjistil, že ve sluneční soustavě je asi 45 procent této síly z temné hmoty a 55 procent z normální, takzvané „baryonové hmoty“. To naznačuje zhruba půl na půl rozdělení mezi hmotností temné hmoty a normální hmoty ve sluneční soustavě.
"Trochu mě překvapil relativně malý příspěvek galaktické síly v důsledku temné hmoty pociťované v naší sluneční soustavě ve srovnání se silou způsobenou normální hmotou," řekl Belbruno, matematik a astrofyzik Princetonské univerzitě a Yeshiva University. "To se vysvětluje skutečností, že většina temné hmoty je ve vnějších částech naší galaxie, daleko od naší sluneční soustavy."
Velká oblast zvaná „halo“ temné hmoty obklopuje Mléčnou dráhu a představuje největší koncentraci temné hmoty v galaxii. Ve svatozáři je jen málo nebo žádná normální hmota. Pokud by se sluneční soustava nacházela ve větší vzdálenosti od středu galaxie, pocítila by účinky většího podílu temné hmoty v galaktické síle, protože by byla blíže k halu temné hmoty, uvedli autoři.
V pojetí tohoto umělce má kosmická loď Voyager 1 NASA pohled na sluneční soustavu z ptačí perspektivy. Kruhy představují oběžné dráhy hlavních vnějších planet: Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. Voyager 1977, který byl vypuštěn v roce 1, navštívil planety Jupiter a Saturn. Kosmická loď je nyní více než 14 miliard mil od Země, což z ní dělá nejvzdálenější lidsky vyrobený objekt, jaký byl kdy postaven. Voyager 1 nyní ve skutečnosti přibližuje mezihvězdný prostor, oblast mezi hvězdami, která je plná plynu, prachu a materiálu recyklovaného z umírajících hvězd. Poděkování: NASA, ESA a G. Bacon (STScI)
Jak může temná hmota ovlivnit kosmickou loď
Green a Belbruno předpovídají, že gravitace temné hmoty tak trochu interaguje se všemi kosmickými loděmi, které NASA vyslala na cesty, které vedou ven ze sluneční soustavy, podle nové studie.
"Pokud se vesmírné lodě pohybují temnou hmotou dostatečně dlouho, jejich trajektorie se změní, a to je důležité vzít v úvahu při plánování misí pro některé budoucí mise," řekl Belbruno.
Mezi takové kosmické lodě mohou patřit vysloužilé sondy Pioneer 10 a 11, které odstartovaly v roce 1972 a 1973; sondy Voyager 1 a 2, které zkoumají více než 40 let a vstoupily do mezihvězdného prostoru; a vesmírná loď New Horizons, která proletěla Pluto a Arrokoth v Kuiperově pásu.
Ale je to malinký efekt. Po ujetí miliard mil by se dráha kosmické lodi, jako je Pioneer 10, odchýlila jen asi o 5 stop (1.6 metru) kvůli vlivu temné hmoty. "Cítí účinek temné hmoty, ale je tak malá, že ji nemůžeme změřit," řekl Green.
Kde přebírá vládu galaktická síla?
V určité vzdálenosti od Slunce se galaktická síla stává silnější než tah Slunce, které je tvořeno normální hmotou. Belbruno a Green vypočítali, že k tomuto přechodu dochází ve vzdálenosti asi 30,000 30,000 astronomických jednotek, neboli 100,000 XNUMXnásobku vzdálenosti od Země ke Slunci. To je daleko za vzdáleností Pluta, ale stále uvnitř Oortova oblaku, roje milionů komet, který obklopuje sluneční soustavu a rozkládá se na XNUMX XNUMX astronomických jednotek.
To znamená, že gravitace temné hmoty mohla hrát roli v trajektorii objektů, jako je 'Oumuamua, doutníková kometa nebo asteroid, které pocházely z jiné hvězdné soustavy a prošly vnitřní sluneční soustavou v roce 2017. Její neobvykle vysoká rychlost by se dala vysvětlit autoři říkají, že gravitace temné hmoty na ni tlačí miliony let.
Pokud existuje obří planeta ve vnějším dosahu sluneční soustavy, hypotetický objekt tzv Planeta 9 nebo Planeta X po které vědci v posledních letech pátrali, by temná hmota ovlivnila i její dráhu. Pokud tato planeta existuje, temná hmota by ji možná mohla dokonce vytlačit pryč z oblasti, kde ji vědci aktuálně hledají, píší Green a Belbruno. Temná hmota mohla také způsobit, že některé komety Oortova oblaku zcela unikli z oběžné dráhy Slunce.
Dala by se změřit gravitace temné hmoty?
K měření účinků temné hmoty ve sluneční soustavě by kosmická loď nemusela nutně cestovat tak daleko. Ve vzdálenosti 100 astronomických jednotek by kosmická loď se správným experimentem mohla astronomům pomoci přímo měřit vliv temné hmoty, řekli Green a Belbruno.
Konkrétně by toto měření mohla být schopna provést kosmická loď vybavená radioizotopovou energií, což je technologie, která umožnila Pioneerům 10 a 11, Voyagerům a New Horizon letět velmi daleko od Slunce. Taková kosmická loď by mohla nést reflexní kouli a shodit ji na vhodnou vzdálenost. Míč by pocítil pouze galaktické síly, zatímco kosmická loď by kromě galaktických sil zažila i tepelnou sílu od rozkládajícího se radioaktivního prvku ve svém energetickém systému. Odečtením tepelné síly by se pak výzkumníci mohli podívat na to, jak galaktická síla souvisí s odchylkami v příslušných trajektoriích koule a kosmické lodi. Tyto odchylky by byly měřeny laserem, protože dva objekty létaly paralelně vedle sebe.
Jednou z možností takového experimentu je navrhovaný koncept mise nazvaný Interstellar Probe, jehož cílem je cestovat do asi 500 astronomických jednotek od Slunce a prozkoumat toto nezmapované prostředí.
Jsou zobrazeny dva pohledy z HST na masivní kupu galaxií Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Vlevo je pohled ve viditelném světle s podivně vypadajícími modrými oblouky objevujícími se mezi nažloutlými galaxiemi. Toto jsou zvětšené a zkreslené obrazy galaxií umístěných daleko za kupou. Jejich světlo je ohýbáno a zesilováno nesmírnou gravitací kupy v procesu zvaném gravitační čočka. Vpravo bylo přidáno modré stínování, které označuje umístění neviditelného materiálu zvaného temná hmota, který je matematicky nezbytný pro vysvětlení povahy a umístění galaxií s gravitační čočkou, které jsou vidět. Poděkování: NASA, ESA, MJ Jee a H. Ford (Johns Hopkins University)
Více o temné hmotě
Temnou hmotu jako skrytou hmotu v galaxiích poprvé navrhl ve 1930. letech 1960. století Fritz Zwicky. Tato myšlenka však zůstala kontroverzní až do 1970. a XNUMX. let XNUMX. století, kdy Vera C. Rubin a kolegové potvrdili, že pohyby hvězd kolem jejich galaktických center by se neřídily fyzikálními zákony, pokud by se jednalo pouze o normální hmotu. Pouze gigantický skrytý zdroj hmoty může vysvětlit, proč se hvězdy na okraji spirálních galaxií, jako je ta naše, pohybují stejně rychle jako oni.
Dnes je povaha temné hmoty jednou z největších záhad celé astrofyziky. Výkonné observatoře jako např Hubble Space Telescope a rentgenová observatoř Chandra pomohly vědcům začít chápat vliv a distribuci temné hmoty ve vesmíru jako celku. Hubble prozkoumal mnoho galaxií, jejichž temná hmota přispívá k efektu zvanému „čočkování“, kde gravitace ohýbá samotný prostor a zvětšuje obrazy vzdálenějších galaxií.
Astronomové se dozvědí více o temné hmotě ve vesmíru pomocí nejnovější sady nejmodernějších dalekohledů. NASA James Webb Vesmírný dalekohled, která byla zahájena 25. prosince 2021, přispěje k našemu pochopení temné hmoty tím, že pořídí snímky a další data galaxií a bude pozorovat jejich čočky. Římský vesmírný dalekohled NASA Nancy Grace, který se má spustit v polovině roku 2020, provede průzkumy více než miliardy galaxií, aby se podíval na vliv temné hmoty na jejich tvary a rozložení.
Nadcházející mise Euclid Evropské vesmírné agentury, na které se podílí NASA, se také zaměří na temnou hmotu a temnou energii, přičemž se ohlédne zpět v čase asi 10 miliard let do období, kdy temná energie začala urychlovat expanzi vesmíru. A observatoř Vera C. Rubin, spolupráce National Science Foundation, Department of Energy a dalších, která je ve výstavbě v Chile, přidá cenná data do této hádanky skutečné podstaty temné hmoty.
Tyto výkonné nástroje jsou však navrženy tak, aby hledaly silné účinky temné hmoty na velké vzdálenosti a mnohem dále než v naší sluneční soustavě, kde je vliv temné hmoty mnohem slabší.
"Pokud byste tam mohli poslat kosmickou loď, aby to odhalila, byl by to obrovský objev," řekl Belbruno.
Odkaz: „Když opouštíme sluneční soustavu: Temná hmota dělá rozdíl“ od Edwarda Belbruna a Jamese Greena, 4. ledna 2022, Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
