Diese künstlerische Darstellung zeigt eine Ansicht unserer eigenen Milchstraße und ihres zentralen Balkens, wie sie von oben betrachtet aussehen könnte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/R. Verletzt (SSC)
Wie dunkle Materie im Sonnensystem gemessen werden könnte
Bilder von der Milchstraße zeigen Milliarden von Sternen, die in einem spiralförmigen Muster angeordnet sind, das vom Zentrum ausstrahlt, mit beleuchtetem Gas dazwischen. Aber unsere Augen können nur die Oberfläche dessen erahnen, was unsere Galaxie zusammenhält. Etwa 95 Prozent der Masse unserer Galaxie ist unsichtbar und interagiert nicht mit Licht. Es besteht aus einer mysteriösen Substanz namens Dunkle Materie, die noch nie direkt gemessen wurde.
Jetzt berechnet eine neue Studie, wie sich die Schwerkraft der Dunklen Materie auf Objekte in unserem Sonnensystem auswirkt, darunter Raumfahrzeuge und ferne Kometen. Es schlägt auch einen Weg vor, wie der Einfluss der Dunklen Materie mit einem zukünftigen Experiment direkt beobachtet werden könnte. Der Artikel erscheint im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
„Wir sagen voraus, dass Sie, wenn Sie weit genug in das Sonnensystem vordringen, tatsächlich die Möglichkeit haben, mit der Messung der Kraft der Dunklen Materie zu beginnen“, sagte Jim Green, Co-Autor und Berater der Studie NASA's Office of the Chief Scientist. „Dies ist die erste Idee, wie wir das machen und wo wir es machen würden.“
Dunkle Materie in unserem Hinterhof
Hier auf der Erde hält uns die Schwerkraft unseres Planeten davon ab, aus unseren Stühlen zu fliegen, und die Schwerkraft der Sonne sorgt dafür, dass unser Planet in einem 365-Tage-Zeitplan umkreist. Aber je weiter ein Raumschiff von der Sonne entfernt fliegt, desto weniger spürt es die Schwerkraft der Sonne und desto mehr spürt es eine andere Quelle der Schwerkraft: die der Materie aus dem Rest der Galaxie, die hauptsächlich aus dunkler Materie besteht. Die Masse der 100 Milliarden Sterne unserer Galaxie ist winzig im Vergleich zu Schätzungen des Gehalts an dunkler Materie in der Milchstraße.
Um den Einfluss der Dunklen Materie im Sonnensystem zu verstehen, berechnete der Hauptautor der Studie, Edward Belbruno, die „galaktische Kraft“, die Gesamtgravitationskraft der normalen Materie in Kombination mit der Dunklen Materie aus der gesamten Galaxie. Er fand heraus, dass im Sonnensystem etwa 45 Prozent dieser Kraft aus dunkler Materie und 55 Prozent aus normaler, sogenannter „baryonischer Materie“ stammen. Dies deutet auf eine Aufteilung der Masse der Dunklen Materie und der normalen Materie im Sonnensystem in etwa zur Hälfte hin.
„Ich war etwas überrascht über den relativ geringen Beitrag der galaktischen Kraft aufgrund der dunklen Materie, die in unserem Sonnensystem im Vergleich zu der Kraft aufgrund der normalen Materie zu spüren ist“, sagte Belbruno, Mathematiker und Astrophysiker bei Princeton University und Yeshiva University. „Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich der größte Teil der Dunklen Materie in den äußeren Teilen unserer Galaxie befindet, weit entfernt von unserem Sonnensystem.“
Eine große Region aus dunkler Materie, die als „Halo“ bezeichnet wird, umgibt die Milchstraße und stellt die größte Konzentration der dunklen Materie der Galaxie dar. Es gibt wenig bis gar keine normale Materie im Halo. Wenn sich das Sonnensystem in größerer Entfernung vom Zentrum der Galaxie befinden würde, würde es die Auswirkungen eines größeren Anteils dunkler Materie in der galaktischen Kraft spüren, weil es näher am Halo aus dunkler Materie wäre, sagten die Autoren.
In der Konzeption dieses Künstlers hat die NASA-Raumsonde Voyager 1 eine Vogelperspektive des Sonnensystems. Die Kreise stellen die Umlaufbahnen der großen äußeren Planeten dar: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Voyager 1977 wurde 1 gestartet und besuchte die Planeten Jupiter und Saturn. Das Raumschiff ist jetzt mehr als 14 Milliarden Meilen von der Erde entfernt und ist damit das am weitesten von Menschenhand gebaute Objekt, das jemals gebaut wurde. Tatsächlich zoomt Voyager 1 jetzt durch den interstellaren Raum, die Region zwischen den Sternen, die mit Gas, Staub und Material gefüllt ist, das von sterbenden Sternen recycelt wurde. Bildnachweis: NASA, ESA und G. Bacon (STScI)
Wie dunkle Materie Raumfahrzeuge beeinflussen kann
Laut der neuen Studie sagen Green und Belbruno voraus, dass die Schwerkraft der Dunklen Materie mit allen Raumfahrzeugen, die die NASA auf Pfade geschickt hat, die aus dem Sonnensystem hinausführen, auch nur geringfügig interagiert.
„Wenn sich Raumfahrzeuge lange genug durch die dunkle Materie bewegen, ändern sich ihre Flugbahnen, und dies ist wichtig, um die Missionsplanung für bestimmte zukünftige Missionen zu berücksichtigen“, sagte Belbruno.
Zu solchen Raumfahrzeugen können die ausgemusterten Sonden Pioneer 10 und 11 gehören, die 1972 bzw. 1973 gestartet wurden; die Sonden Voyager 1 und 2, die seit mehr als 40 Jahren forschen und den interstellaren Raum betreten haben; und das Raumschiff New Horizons, das vorbeigeflogen ist Pluto und Arrokoth im Kuipergürtel.
Aber es ist ein winziger Effekt. Nach einer Reise von Milliarden von Kilometern würde der Weg eines Raumfahrzeugs wie Pioneer 10 aufgrund des Einflusses der Dunklen Materie nur um etwa 5 Meter abweichen. „Sie spüren zwar die Wirkung dunkler Materie, aber sie ist so klein, dass wir sie nicht messen können“, sagte Green.
Wo übernimmt die galaktische Kraft?
In einer bestimmten Entfernung von der Sonne wird die galaktische Kraft stärker als die Anziehungskraft der Sonne, die aus normaler Materie besteht. Belbruno und Green berechneten, dass dieser Übergang bei etwa 30,000 astronomischen Einheiten oder der 30,000-fachen Entfernung von der Erde zur Sonne stattfindet. Das ist weit über die Entfernung von Pluto hinaus, aber immer noch innerhalb der Oortschen Wolke, einem Schwarm von Millionen von Kometen, der das Sonnensystem umgibt und sich auf 100,000 astronomische Einheiten erstreckt.
Das bedeutet, dass die Gravitation der Dunklen Materie bei der Flugbahn von Objekten wie Oumuamua, dem zigarrenförmigen Kometen oder Asteroiden, der von einem anderen Sternensystem kam und 2017 das innere Sonnensystem passierte, eine Rolle gespielt haben könnte. Seine ungewöhnlich schnelle Geschwindigkeit könnte erklärt werden durch die Schwerkraft der dunklen Materie, die Millionen von Jahren darauf drückt, sagen die Autoren.
Wenn es einen riesigen Planeten in den äußeren Bereichen des Sonnensystems gibt, wird ein hypothetisches Objekt genannt Planet 9 oder Planet X nach der Wissenschaftler in den letzten Jahren gesucht haben, würde Dunkle Materie auch seine Umlaufbahn beeinflussen. Wenn dieser Planet existiert, könnte Dunkle Materie ihn vielleicht sogar aus dem Gebiet verdrängen, in dem Wissenschaftler ihn derzeit suchen, schreiben Green und Belbruno. Dunkle Materie könnte auch dazu geführt haben, dass einige der Kometen der Oortschen Wolke der Umlaufbahn der Sonne vollständig entkommen sind.
Könnte die Gravitation der Dunklen Materie gemessen werden?
Um die Auswirkungen der Dunklen Materie im Sonnensystem zu messen, müsste ein Raumschiff nicht unbedingt so weit reisen. In einer Entfernung von 100 Astronomischen Einheiten könnte ein Raumschiff mit dem richtigen Experiment den Astronomen helfen, den Einfluss der Dunklen Materie direkt zu messen, sagten Green und Belbruno.
Insbesondere ein mit Radioisotopenenergie ausgestattetes Raumschiff, eine Technologie, die es Pioneer 10 und 11, den Voyagers und New Horizon ermöglicht hat, sehr weit von der Sonne entfernt zu fliegen, könnte diese Messung durchführen. Ein solches Raumfahrzeug könnte eine reflektierende Kugel tragen und sie in geeigneter Entfernung abwerfen. Die Kugel würde nur galaktische Kräfte spüren, während das Raumschiff zusätzlich zu den galaktischen Kräften eine thermische Kraft von dem zerfallenden radioaktiven Element in seinem Energiesystem erfahren würde. Durch Abziehen der thermischen Kraft konnten die Forscher dann untersuchen, wie die galaktische Kraft mit Abweichungen in den jeweiligen Flugbahnen des Balls und des Raumfahrzeugs zusammenhängt. Diese Abweichungen würden mit einem Laser gemessen, während die beiden Objekte parallel zueinander fliegen.
Ein vorgeschlagenes Missionskonzept namens Interstellar Probe, das darauf abzielt, zu etwa 500 astronomischen Einheiten von der Sonne zu reisen, um diese unerforschte Umgebung zu erkunden, ist eine Möglichkeit für ein solches Experiment.
Gezeigt werden zwei Ansichten des massereichen Galaxienhaufens Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) von Hubble. Links ist die Ansicht im sichtbaren Licht mit seltsam aussehenden blauen Bögen, die zwischen den gelblichen Galaxien erscheinen. Dies sind die vergrößerten und verzerrten Bilder von Galaxien, die sich weit hinter dem Haufen befinden. Ihr Licht wird durch die immense Schwerkraft des Clusters in einem als Gravitationslinseneffekt bezeichneten Prozess gebogen und verstärkt. Auf der rechten Seite wurde eine blaue Schattierung hinzugefügt, um die Position unsichtbarer Materie namens dunkle Materie anzuzeigen, die mathematisch erforderlich ist, um die Natur und Position der sichtbaren Galaxien mit Gravitationslinsen zu erklären. Bildnachweis: NASA, ESA, MJ Jee und H. Ford (Johns Hopkins University)
Mehr über dunkle Materie
Dunkle Materie als verborgene Masse in Galaxien wurde erstmals in den 1930er Jahren von Fritz Zwicky vorgeschlagen. Aber die Idee blieb bis in die 1960er und 1970er Jahre umstritten, als Vera C. Rubin und Kollegen bestätigten, dass die Bewegungen von Sternen um ihre galaktischen Zentren nicht den Gesetzen der Physik folgen würden, wenn nur normale Materie beteiligt wäre. Nur eine gigantische verborgene Massenquelle kann erklären, warum sich Sterne am Rande von Spiralgalaxien wie der unseren so schnell bewegen wie sie.
Heute ist die Natur der Dunklen Materie eines der größten Rätsel der gesamten Astrophysik. Leistungsstarke Observatorien wie die Hubble Weltraumteleskop und das Chandra X-Ray Observatory haben Wissenschaftlern geholfen, den Einfluss und die Verteilung der Dunklen Materie im Universum insgesamt zu verstehen. Hubble hat viele Galaxien erforscht, deren dunkle Materie zu einem Effekt namens „Linse“, wo die Schwerkraft den Raum selbst krümmt und Bilder von weiter entfernten Galaxien vergrößert.
Astronomen werden mit den neuesten hochmodernen Teleskopen mehr über dunkle Materie im Kosmos erfahren. NASAs James Webb Weltraumteleskop, das am 25. Dezember 2021 gestartet wurde, wird zu unserem Verständnis der Dunklen Materie beitragen, indem Bilder und andere Daten von Galaxien aufgenommen und ihre Linseneffekte beobachtet werden. Das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA, das Mitte der 2020er Jahre starten soll, wird Vermessungen von mehr als einer Milliarde Galaxien durchführen, um den Einfluss der Dunklen Materie auf ihre Formen und Verteilungen zu untersuchen.
Die bevorstehende Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, an der die NASA beteiligt ist, wird ebenfalls auf dunkle Materie und dunkle Energie abzielen und etwa 10 Milliarden Jahre in die Zeit zurückblicken, als dunkle Energie begann, die Expansion des Universums zu beschleunigen. Und das Vera-C.-Rubin-Observatorium, eine Zusammenarbeit der National Science Foundation, des Energieministeriums und anderer, das sich in Chile im Bau befindet, wird diesem Puzzle der wahren Essenz der Dunklen Materie wertvolle Daten hinzufügen.
Aber diese leistungsstarken Werkzeuge wurden entwickelt, um nach den starken Auswirkungen der Dunklen Materie über große Entfernungen und viel weiter entfernt als in unserem Sonnensystem zu suchen, wo der Einfluss der Dunklen Materie so viel schwächer ist.
„Wenn Sie ein Raumschiff dorthin schicken könnten, um es zu entdecken, wäre das eine riesige Entdeckung“, sagte Belbruno.
Referenz: „Beim Verlassen des Sonnensystems: Dunkle Materie macht einen Unterschied“ von Edward Belbruno und James Green, 4. Januar 2022, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab3781
