ناسا روشی را پیشنهاد می کند که تأثیر ماده تاریک را می توان مستقیماً مشاهده کرد

رندر این هنرمند نمایی از کهکشان راه شیری ما و نوار مرکزی آن را همانطور که ممکن است در صورت مشاهده از بالا به نظر برسد، نشان می دهد. اعتبار: NASA/JPL-Caltech/R. صدمه (SSC)

چگونه ماده تاریک را می توان در منظومه شمسی اندازه گیری کرد

تصاویری از راه شیری میلیاردها ستاره را نشان می‌دهد که در یک الگوی مارپیچی قرار گرفته‌اند که از مرکز بیرون می‌آیند، با گاز روشن در بین آنها. اما چشمان ما فقط می توانند به سطح چیزی که کهکشان ما را کنار هم نگه می دارند نگاه کنند. حدود 95 درصد از جرم کهکشان ما نامرئی است و با نور تعامل ندارد. این ماده از ماده ای مرموز به نام ماده تاریک ساخته شده است که هرگز به طور مستقیم اندازه گیری نشده است.

اکنون، یک مطالعه جدید محاسبه می‌کند که گرانش ماده تاریک چگونه بر اجرام منظومه شمسی، از جمله فضاپیماها و دنباله‌دارهای دوردست تأثیر می‌گذارد. همچنین روشی را پیشنهاد می‌کند که تأثیر ماده تاریک را می‌توان مستقیماً با آزمایشی در آینده مشاهده کرد. مقاله در نشریه اطلاعیه های ماهانه انجمن نجوم سلطنتی.

جیم گرین، یکی از نویسندگان و مشاور این مطالعه گفت: «ما پیش‌بینی می‌کنیم که اگر به اندازه کافی از منظومه شمسی خارج شوید، در واقع این فرصت را خواهید داشت که نیروی ماده تاریک را اندازه‌گیری کنید. ناسادفتر دانشمند ارشد. "این اولین ایده است که چگونه آن را انجام دهیم و کجا آن را انجام دهیم."

ماده تاریک در حیاط خلوت ما

اینجا روی زمین، گرانش سیاره ما را از پرواز از روی صندلی‌هایمان باز می‌دارد، و گرانش خورشید باعث می‌شود سیاره ما در یک برنامه 365 روزه در حال چرخش باشد. اما هر چه فضاپیما دورتر از خورشید پرواز کند، گرانش خورشید را کمتر احساس می‌کند و منبع گرانشی متفاوتی را بیشتر احساس می‌کند: گرانش ماده از بقیه کهکشان، که عمدتاً ماده تاریک است. جرم 100 میلیارد ستاره کهکشان ما در مقایسه با تخمین های موجود در مورد محتوای ماده تاریک کهکشان راه شیری ناچیز است.

برای درک تأثیر ماده تاریک در منظومه شمسی، ادوارد بلبرونو، نویسنده اصلی مطالعه، «نیروی کهکشانی»، نیروی گرانشی کلی ماده معمولی همراه با ماده تاریک از کل کهکشان را محاسبه کرد. او دریافت که در منظومه شمسی، حدود 45 درصد از این نیرو از ماده تاریک و 55 درصد از نرمال، به اصطلاح "ماده باریونی" است. این نشان دهنده یک شکاف تقریباً نصف و نیمه بین جرم ماده تاریک و ماده معمولی در منظومه شمسی است.

بلبرونو، ریاضیدان و اخترفیزیکدان، گفت: «من از سهم نسبتاً اندک نیروی کهکشانی ناشی از ماده تاریک در منظومه شمسی در مقایسه با نیروی ناشی از ماده معمولی شگفت زده شدم. دانشگاه پرینستون و دانشگاه یشیوا "این با این واقعیت توضیح داده می شود که بیشتر ماده تاریک در قسمت های بیرونی کهکشان ما، دور از منظومه شمسی ما قرار دارد."

منطقه بزرگی به نام "هاله" ماده تاریک کهکشان راه شیری را احاطه کرده است و بیشترین غلظت ماده تاریک کهکشان را نشان می دهد. در هاله یک ماده معمولی وجود ندارد. به گفته نویسندگان، اگر منظومه شمسی در فاصله بیشتری از مرکز کهکشان قرار داشته باشد، تأثیرات نسبت بیشتری از ماده تاریک را در نیروی کهکشانی احساس می‌کند، زیرا به هاله ماده تاریک نزدیک‌تر است.

در تصور این هنرمند، فضاپیمای وویجر 1 ناسا نمای چشم پرنده ای از منظومه شمسی دارد. دایره ها نشان دهنده مدار سیارات اصلی بیرونی هستند: مشتری، زحل، اورانوس و نپتون. وویجر 1977 که در سال 1 به فضا پرتاب شد، از سیارات مشتری و زحل بازدید کرد. این فضاپیما اکنون بیش از 14 میلیارد مایل از زمین فاصله دارد و آن را به دورترین جسم ساخته شده توسط بشر تبدیل می کند. در واقع، وویجر 1 اکنون در فضای بین ستاره‌ای بزرگ‌نمایی می‌کند، منطقه بین ستاره‌ها که پر از گاز، غبار و مواد بازیافت شده از ستارگان در حال مرگ است. اعتبار: ناسا، ESA، و جی بیکن (STScI)

چگونه ماده تاریک ممکن است بر فضاپیماها تأثیر بگذارد

بر اساس این مطالعه جدید، گرین و بلبرونو پیش‌بینی می‌کنند که گرانش ماده تاریک با همه فضاپیماهایی که ناسا در مسیرهایی که به خارج از منظومه شمسی فرستاده‌اند، اندکی تعامل دارد.

بلبرونو گفت: "اگر فضاپیماها به اندازه کافی در ماده تاریک حرکت کنند، مسیر آنها تغییر می کند، و این مهم است که برای برنامه ریزی ماموریت برای ماموریت های آینده خاص در نظر گرفته شود."

چنین فضاپیماهایی ممکن است شامل کاوشگرهای بازنشسته پایونیر 10 و 11 باشد که به ترتیب در سال‌های 1972 و 1973 پرتاب شدند. کاوشگرهای وویجر 1 و 2 که بیش از 40 سال در حال کاوش هستند و وارد فضای بین ستاره ای شده اند. و فضاپیمای نیوهورایزنز که از آنجا به پرواز درآمده است پلوتون و Arrokoth در کمربند کویپر.

اما این یک اثر کوچک است. پس از طی میلیاردها مایل، مسیر فضاپیمایی مانند پایونیر 10 به دلیل تأثیر ماده تاریک تنها حدود 5 فوت (1.6 متر) منحرف می شود. گرین گفت: «آنها تأثیر ماده تاریک را احساس می کنند، اما آنقدر کوچک است که ما نمی توانیم آن را اندازه گیری کنیم.

نیروی کهکشانی کجا را اشغال می کند؟

در فاصله معینی از خورشید، نیروی کهکشانی قدرتمندتر از کشش خورشید می شود که از ماده معمولی ساخته شده است. بلبرونو و گرین محاسبه کردند که این انتقال در حدود 30,000 واحد نجومی یا 30,000 برابر فاصله زمین تا خورشید اتفاق می افتد. این فاصله بسیار فراتر از فاصله پلوتو است، اما هنوز در داخل ابر اورت، دسته‌ای از میلیون‌ها دنباله‌دار است که منظومه شمسی را احاطه کرده و تا ۱۰۰۰۰۰ واحد نجومی گسترش یافته است.

این بدان معناست که گرانش ماده تاریک می‌تواند در مسیر حرکت اجرامی مانند Oumuamua، دنباله‌دار یا سیارک سیگار شکلی که از منظومه ستاره‌ای دیگر آمده و در سال 2017 از درون منظومه شمسی عبور کرده است، نقش داشته باشد. سرعت غیرعادی سریع آن را می‌توان توضیح داد. نویسندگان می گویند که توسط گرانش ماده تاریک که میلیون ها سال بر آن فشار می آورد.

اگر یک سیاره غول پیکر در قسمت بیرونی منظومه شمسی وجود داشته باشد، یک جرم فرضی نامیده می شود سیاره 9 یا سیاره ایکس که دانشمندان در سال‌های اخیر به دنبال آن بوده‌اند، ماده تاریک نیز بر مدار آن تأثیر می‌گذارد. گرین و بلبرونو می نویسند که اگر این سیاره وجود داشته باشد، ماده تاریک می تواند حتی آن را از ناحیه ای که دانشمندان در حال حاضر به دنبال آن هستند دور کند. ماده تاریک همچنین ممکن است باعث شده باشد که برخی از دنباله دارهای ابر اورت به طور کلی از مدار خورشید فرار کنند.

آیا می توان گرانش ماده تاریک را اندازه گیری کرد؟

برای اندازه‌گیری اثرات ماده تاریک در منظومه شمسی، یک فضاپیما لزوماً مجبور نیست تا این اندازه دور سفر کند. گرین و بلبرونو گفتند که در فاصله 100 واحد نجومی، یک فضاپیما با آزمایش مناسب می تواند به ستاره شناسان کمک کند تأثیر ماده تاریک را مستقیماً اندازه گیری کنند.

به طور خاص، یک فضاپیمای مجهز به قدرت رادیوایزوتوپ، فناوری که به پایونیر 10 و 11، وویجرز و نیوهورایزن امکان پرواز بسیار دور از خورشید را داده است، ممکن است بتواند این اندازه‌گیری را انجام دهد. چنین فضاپیما می تواند یک توپ بازتابنده را حمل کند و آن را در فاصله مناسب رها کند. توپ فقط نیروهای کهکشانی را احساس می کند، در حالی که فضاپیما علاوه بر نیروهای کهکشانی، نیروی حرارتی ناشی از عنصر رادیواکتیو در حال فروپاشی در سیستم قدرت خود را نیز تجربه می کند. با کم کردن نیروی حرارتی، محققان می‌توانند به چگونگی ارتباط نیروی کهکشانی با انحرافات در مسیرهای توپ و فضاپیما نگاه کنند. این انحرافات را می توان با لیزر اندازه گیری کرد زیرا این دو جسم به موازات یکدیگر پرواز می کنند.

یک مفهوم مأموریت پیشنهادی به نام کاوشگر بین ستاره‌ای، که هدف آن سفر به حدود 500 واحد نجومی از خورشید برای کاوش در آن محیط ناشناخته است، یکی از امکان‌های چنین آزمایشی است.

دو نما از هابل از خوشه کهکشانی عظیم Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) نشان داده شده است. در سمت چپ، منظره ای در نور مرئی با کمان های آبی با ظاهر عجیبی است که در میان کهکشان های زرد رنگ ظاهر می شوند. اینها تصاویر بزرگ‌نمایی و تحریف شده از کهکشان‌هایی هستند که در پشت خوشه قرار دارند. نور آنها توسط گرانش بسیار زیاد خوشه در فرآیندی به نام عدسی گرانشی خم شده و تقویت می شود. در سمت راست، یک سایه آبی اضافه شده است تا مکان ماده نامرئی به نام ماده تاریک را نشان دهد که از نظر ریاضی برای توضیح ماهیت و مکان کهکشان هایی با عدسی گرانشی که دیده می شوند مورد نیاز است. اعتبار: ناسا، ESA، MJ Jee و H. Ford (دانشگاه جان هاپکینز)

بیشتر در مورد ماده تاریک

ماده تاریک به عنوان یک جرم پنهان در کهکشان ها اولین بار در دهه 1930 توسط فریتز زویکی پیشنهاد شد. اما این ایده تا دهه‌های 1960 و 1970 بحث‌برانگیز باقی ماند، زمانی که ورا سی روبین و همکارانش تأیید کردند که حرکت ستارگان در اطراف مراکز کهکشانی‌شان از قوانین فیزیک پیروی نمی‌کند، اگر فقط ماده عادی در آن دخالت داشته باشد. فقط یک منبع غول پیکر پنهان جرم می تواند توضیح دهد که چرا ستارگان در حومه کهکشان های مارپیچی مانند ما به سرعت آنها حرکت می کنند.

امروزه ماهیت ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار در تمام اخترفیزیک است. رصدخانه های قدرتمندی مانند تلسکوپ فضایی هابل و رصدخانه اشعه ایکس چاندرا به دانشمندان کمک کرده اند تا تأثیر و توزیع ماده تاریک در جهان را به طور کلی درک کنند. هابل کهکشان های زیادی را کاوش کرده است که ماده تاریک آنها در اثری به نام "عدسی"، جایی که گرانش خود فضا را خم می کند و تصاویر کهکشان های دورتر را بزرگ می کند.

ستاره شناسان با جدیدترین مجموعه تلسکوپ های پیشرفته بیشتر در مورد ماده تاریک در کیهان خواهند آموخت. ناسا تلسکوپ فضایی جیمز وبکه در 25 دسامبر 2021 راه اندازی شد، با گرفتن تصاویر و سایر داده های کهکشان ها و مشاهده اثرات عدسی آنها به درک ما از ماده تاریک کمک خواهد کرد. تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس ناسا که قرار است در اواسط دهه 2020 به فضا پرتاب شود، بررسی هایی را از بیش از یک میلیارد کهکشان برای بررسی تأثیر ماده تاریک بر شکل و توزیع آنها انجام خواهد داد.

ماموریت آتی اقلیدس آژانس فضایی اروپا، که مشارکت ناسا را ​​نیز دارد، ماده تاریک و انرژی تاریک را نیز هدف قرار خواهد داد، با نگاهی به زمان در حدود 10 میلیارد سال به دوره ای که انرژی تاریک شروع به تسریع گسترش جهان کرد. و رصدخانه Vera C. Rubin، با همکاری بنیاد ملی علوم، وزارت انرژی، و دیگران، که در شیلی در حال ساخت است، داده های ارزشمندی را به این معمای جوهر واقعی ماده تاریک اضافه خواهد کرد.

اما این ابزار قدرتمند برای جست‌وجوی اثرات قوی ماده تاریک در فواصل دورتر و بسیار دورتر از منظومه شمسی طراحی شده‌اند، جایی که تأثیر ماده تاریک بسیار ضعیف‌تر است.

بلبرونو گفت: «اگر بتوانید یک فضاپیما را به آنجا بفرستید تا آن را شناسایی کند، این یک کشف بزرگ خواهد بود.

مرجع: "هنگام خروج از منظومه شمسی: ماده تاریک تفاوت ایجاد می کند" توسط ادوارد بلبرونو و جیمز گرین، 4 ژانویه 2022، اطلاعیه های ماهانه انجمن نجوم سلطنتی.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781