La representación de este artista muestra una vista de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y su barra central, como podría verse si se viera desde arriba. Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Herido (SSC)
Cómo se podría medir la materia oscura en el sistema solar
Fotos de la Vía Láctea muestran miles de millones de estrellas dispuestas en un patrón en espiral que irradian desde el centro, con gas iluminado en el medio. Pero nuestros ojos solo pueden vislumbrar la superficie de lo que mantiene unida a nuestra galaxia. Alrededor del 95 por ciento de la masa de nuestra galaxia es invisible y no interactúa con la luz. Está hecho de una sustancia misteriosa llamada materia oscura, que nunca se ha medido directamente.
Ahora, un nuevo estudio calcula cómo la gravedad de la materia oscura afecta a los objetos de nuestro sistema solar, incluidas las naves espaciales y los cometas distantes. También propone una forma en que la influencia de la materia oscura podría observarse directamente con un experimento futuro. El artículo está publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
“Predecimos que si te alejas lo suficiente en el sistema solar, tienes la oportunidad de comenzar a medir la fuerza de la materia oscura”, dijo Jim Green, coautor del estudio y asesor de NASAOficina del Científico Jefe. “Esta es la primera idea de cómo hacerlo y dónde lo haríamos”.
Materia oscura en nuestro patio trasero
Aquí en la Tierra, la gravedad de nuestro planeta evita que salgamos volando de nuestras sillas, y la gravedad del Sol mantiene a nuestro planeta en órbita en un horario de 365 días. Pero cuanto más lejos del Sol vuela una nave espacial, menos siente la gravedad del Sol y más siente una fuente diferente de gravedad: la de la materia del resto de la galaxia, que es principalmente materia oscura. La masa de los 100 mil millones de estrellas de nuestra galaxia es minúscula en comparación con las estimaciones del contenido de materia oscura de la Vía Láctea.
Para comprender la influencia de la materia oscura en el sistema solar, el autor principal del estudio, Edward Belbruno, calculó la "fuerza galáctica", la fuerza gravitacional general de la materia normal combinada con la materia oscura de toda la galaxia. Encontró que en el sistema solar, alrededor del 45 por ciento de esta fuerza proviene de la materia oscura y el 55 por ciento es de la llamada "materia bariónica". Esto sugiere una división de aproximadamente la mitad y la mitad entre la masa de materia oscura y la materia normal en el sistema solar.
“Me sorprendió un poco la contribución relativamente pequeña de la fuerza galáctica debida a la materia oscura que se siente en nuestro sistema solar en comparación con la fuerza debida a la materia normal”, dijo Belbruno, matemático y astrofísico de La Universidad de Princeton y la Universidad Yeshiva. "Esto se explica por el hecho de que la mayor parte de la materia oscura se encuentra en las partes exteriores de nuestra galaxia, lejos de nuestro sistema solar".
Una gran región llamada "halo" de materia oscura rodea la Vía Láctea y representa la mayor concentración de materia oscura de la galaxia. Hay poca o ninguna materia normal en el halo. Si el sistema solar estuviera ubicado a una distancia mayor del centro de la galaxia, sentiría los efectos de una mayor proporción de materia oscura en la fuerza galáctica porque estaría más cerca del halo de materia oscura, dijeron los autores.
En la concepción de este artista, la nave espacial Voyager 1 de la NASA tiene una vista de pájaro del sistema solar. Los círculos representan las órbitas de los principales planetas exteriores: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Lanzada en 1977, la Voyager 1 visitó los planetas Júpiter y Saturno. La nave espacial se encuentra ahora a más de 14 mil millones de millas de la Tierra, lo que la convierte en el objeto más lejano jamás construido por el hombre. De hecho, la Voyager 1 ahora está atravesando el espacio interestelar, la región entre las estrellas que está llena de gas, polvo y material reciclado de estrellas moribundas. Crédito: NASA, ESA y G. Bacon (STScI)
Cómo la materia oscura puede influir en las naves espaciales
Green y Belbruno predicen que la gravedad de la materia oscura interactúa muy levemente con todas las naves espaciales que la NASA ha enviado en caminos que salen del sistema solar, según el nuevo estudio.
“Si las naves espaciales se mueven a través de la materia oscura el tiempo suficiente, sus trayectorias cambian, y es importante tener esto en cuenta para la planificación de misiones para ciertas misiones futuras”, dijo Belbruno.
Dicha nave espacial puede incluir las sondas Pioneer 10 y 11 retiradas que se lanzaron en 1972 y 1973, respectivamente; las sondas Voyager 1 y 2 que llevan más de 40 años explorando y han entrado en el espacio interestelar; y la nave espacial New Horizons que ha sobrevolado Plutón y Arrokoth en el cinturón de Kuiper.
Pero es un efecto diminuto. Después de viajar miles de millones de millas, la trayectoria de una nave espacial como Pioneer 10 solo se desviaría unos 5 pies (1.6 metros) debido a la influencia de la materia oscura. “Sienten el efecto de la materia oscura, pero es tan pequeño que no podemos medirlo”, dijo Green.
¿Dónde se hace cargo la fuerza galáctica?
A cierta distancia del Sol, la fuerza galáctica se vuelve más poderosa que la atracción del Sol, que está hecho de materia normal. Belbruno y Green calcularon que esta transición ocurre alrededor de 30,000 30,000 unidades astronómicas, o 100,000 XNUMX veces la distancia de la Tierra al Sol. Eso está mucho más allá de la distancia de Plutón, pero aún dentro de la Nube de Oort, un enjambre de millones de cometas que rodea el sistema solar y se extiende hasta XNUMX unidades astronómicas.
Esto significa que la gravedad de la materia oscura podría haber jugado un papel en la trayectoria de objetos como 'Oumuamua, el cometa o asteroide con forma de cigarro que vino de otro sistema estelar y pasó por el sistema solar interior en 2017. Su velocidad inusualmente rápida podría explicarse. por la gravedad de la materia oscura empujándola durante millones de años, dicen los autores.
Si hay un planeta gigante en los confines del sistema solar, un objeto hipotético llamado Planeta 9 o Planeta X que los científicos han estado buscando en los últimos años, la materia oscura también influiría en su órbita. Si este planeta existe, la materia oscura tal vez podría alejarlo del área donde los científicos lo están buscando actualmente, escriben Green y Belbruno. La materia oscura también puede haber causado que algunos de los cometas de la Nube de Oort escaparan por completo de la órbita del Sol.
¿Se podría medir la gravedad de la materia oscura?
Para medir los efectos de la materia oscura en el sistema solar, una nave espacial no necesariamente tendría que viajar tan lejos. A una distancia de 100 unidades astronómicas, una nave espacial con el experimento adecuado podría ayudar a los astrónomos a medir directamente la influencia de la materia oscura, dijeron Green y Belbruno.
Específicamente, una nave espacial equipada con energía de radioisótopos, una tecnología que ha permitido que Pioneer 10 y 11, Voyagers y New Horizon vuelen muy lejos del Sol, podría realizar esta medición. Una nave espacial de este tipo podría llevar una bola reflectante y dejarla caer a una distancia apropiada. La bola sentiría solo fuerzas galácticas, mientras que la nave espacial experimentaría una fuerza térmica del elemento radiactivo en descomposición en su sistema de energía, además de las fuerzas galácticas. Restando la fuerza térmica, los investigadores podrían observar cómo la fuerza galáctica se relaciona con las desviaciones en las trayectorias respectivas de la pelota y la nave espacial. Esas desviaciones se medirían con un láser a medida que los dos objetos vuelan paralelos entre sí.
Un concepto de misión propuesto llamado Sonda interestelar, que tiene como objetivo viajar a unas 500 unidades astronómicas del Sol para explorar ese entorno desconocido, es una posibilidad para tal experimento.
Se muestran dos vistas del Hubble del cúmulo de galaxias masivas Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). A la izquierda está la vista en luz visible con arcos azules de aspecto extraño que aparecen entre las galaxias amarillentas. Estas son las imágenes ampliadas y distorsionadas de galaxias ubicadas muy por detrás del cúmulo. Su luz es desviada y amplificada por la inmensa gravedad del cúmulo en un proceso llamado lente gravitacional. A la derecha, se agregó un sombreado azul para indicar la ubicación del material invisible llamado materia oscura que se requiere matemáticamente para dar cuenta de la naturaleza y la ubicación de las galaxias con lentes gravitacionales que se ven. Crédito: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)
Más sobre la materia oscura
La materia oscura como masa oculta en las galaxias fue propuesta por primera vez en la década de 1930 por Fritz Zwicky. Pero la idea siguió siendo controvertida hasta las décadas de 1960 y 1970, cuando Vera C. Rubin y sus colegas confirmaron que los movimientos de las estrellas alrededor de sus centros galácticos no seguirían las leyes de la física si solo estuviera involucrada la materia normal. Solo una gigantesca fuente oculta de masa puede explicar por qué las estrellas en las afueras de las galaxias espirales como la nuestra se mueven tan rápido como lo hacen.
Hoy en día, la naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores misterios de toda la astrofísica. Potentes observatorios como el telescopio espacial Hubble y el Observatorio de rayos X Chandra han ayudado a los científicos a comenzar a comprender la influencia y la distribución de la materia oscura en el universo en general. Hubble ha explorado muchas galaxias cuya materia oscura contribuye a un efecto llamado “lentes”, donde la gravedad dobla el espacio mismo y magnifica las imágenes de galaxias más distantes.
Los astrónomos aprenderán más sobre la materia oscura en el cosmos con el nuevo conjunto de telescopios de última generación. de la NASA Telescopio espacial James Webb, que se lanzó el 25 de diciembre de 2021, contribuirá a nuestra comprensión de la materia oscura al tomar imágenes y otros datos de las galaxias y observar sus efectos de lentes. El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que se lanzará a mediados de la década de 2020, realizará estudios de más de mil millones de galaxias para observar la influencia de la materia oscura en sus formas y distribuciones.
La próxima misión Euclid de la Agencia Espacial Europea, que cuenta con una contribución de la NASA, también apuntará a la materia oscura y la energía oscura, retrocediendo en el tiempo unos 10 mil millones de años hasta un período en el que la energía oscura comenzó a acelerar la expansión del universo. Y el Observatorio Vera C. Rubin, una colaboración de la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía y otros, que está en construcción en Chile, agregará datos valiosos a este rompecabezas de la verdadera esencia de la materia oscura.
Pero estas poderosas herramientas están diseñadas para buscar los fuertes efectos de la materia oscura a grandes distancias y mucho más lejos que en nuestro sistema solar, donde la influencia de la materia oscura es mucho más débil.
“Si pudieras enviar una nave espacial para detectarlo, sería un gran descubrimiento”, dijo Belbruno.
Referencia: "Al salir del sistema solar: la materia oscura marca la diferencia" por Edward Belbruno y James Green, 4 de enero de 2022, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
