Le rendu de cet artiste montre une vue de notre propre galaxie de la Voie lactée et de sa barre centrale telle qu'elle pourrait apparaître si elle était vue d'en haut. Crédit : NASA/JPL-Caltech/R. Blessé (SSC)
Comment la matière noire pourrait être mesurée dans le système solaire
Des photos du voie Lactée montrent des milliards d'étoiles disposées dans un motif en spirale rayonnant du centre, avec du gaz illuminé entre les deux. Mais nos yeux ne peuvent qu'apercevoir la surface de ce qui maintient notre galaxie ensemble. Environ 95 % de la masse de notre galaxie est invisible et n'interagit pas avec la lumière. Il est constitué d'une substance mystérieuse appelée matière noire, qui n'a jamais été directement mesurée.
Maintenant, une nouvelle étude calcule comment la gravité de la matière noire affecte les objets de notre système solaire, y compris les engins spatiaux et les comètes lointaines. Il propose également un moyen d'observer directement l'influence de la matière noire avec une future expérience. L'article est publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
"Nous prévoyons que si vous vous éloignez suffisamment dans le système solaire, vous avez en fait la possibilité de commencer à mesurer la force de la matière noire", a déclaré Jim Green, co-auteur de l'étude et conseiller de NASAdu Bureau du scientifique en chef. "C'est la première idée de comment le faire et où nous le ferions."
La matière noire dans notre jardin
Ici sur Terre, la gravité de notre planète nous empêche de voler hors de nos chaises, et la gravité du Soleil maintient notre planète en orbite selon un calendrier de 365 jours. Mais plus un vaisseau spatial vole loin du Soleil, moins il ressent la gravité du Soleil, et plus il ressent une autre source de gravité : celle de la matière du reste de la galaxie, qui est majoritairement de la matière noire. La masse des 100 milliards d'étoiles de notre galaxie est minuscule par rapport aux estimations de la teneur en matière noire de la Voie lactée.
Pour comprendre l'influence de la matière noire dans le système solaire, l'auteur principal de l'étude, Edward Belbruno, a calculé la "force galactique", la force gravitationnelle globale de la matière normale combinée à la matière noire de toute la galaxie. Il a découvert que dans le système solaire, environ 45 % de cette force provient de la matière noire et 55 % provient de la « matière baryonique » normale. Cela suggère une répartition à peu près moitié-moitié entre la masse de matière noire et la matière normale dans le système solaire.
"J'ai été un peu surpris par la contribution relativement faible de la force galactique due à la matière noire ressentie dans notre système solaire par rapport à la force due à la matière normale", a déclaré Belbruno, mathématicien et astrophysicien à L'Université de Princeton et l'Université Yeshiva. "Cela s'explique par le fait que la majeure partie de la matière noire se trouve dans les parties extérieures de notre galaxie, loin de notre système solaire."
Une grande région appelée « halo » de matière noire encercle la Voie lactée et représente la plus grande concentration de matière noire de la galaxie. Il y a peu ou pas de matière normale dans le halo. Si le système solaire était situé à une plus grande distance du centre de la galaxie, il ressentirait les effets d'une plus grande proportion de matière noire dans la force galactique car il serait plus proche du halo de matière noire, ont déclaré les auteurs.
Dans la conception de cet artiste, le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA a une vue plongeante sur le système solaire. Les cercles représentent les orbites des principales planètes extérieures : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Lancé en 1977, Voyager 1 a visité les planètes Jupiter et Saturne. Le vaisseau spatial est maintenant à plus de 14 milliards de kilomètres de la Terre, ce qui en fait l'objet fabriqué par l'homme le plus éloigné jamais construit. En fait, Voyager 1 zoome maintenant dans l'espace interstellaire, la région entre les étoiles qui est remplie de gaz, de poussière et de matériaux recyclés à partir d'étoiles mourantes. Crédit : NASA, ESA et G. Bacon (STScI)
Comment la matière noire peut influencer les engins spatiaux
Green et Belbruno prédisent que la gravité de la matière noire interagit très légèrement avec tous les engins spatiaux que la NASA a envoyés sur des chemins qui sortent du système solaire, selon la nouvelle étude.
"Si les engins spatiaux se déplacent suffisamment longtemps dans la matière noire, leurs trajectoires sont modifiées, et il est important d'en tenir compte lors de la planification de missions pour certaines missions futures", a déclaré Belbruno.
Ces engins spatiaux peuvent inclure les sondes Pioneer 10 et 11 à la retraite qui ont été lancées en 1972 et 1973, respectivement; les sondes Voyager 1 et 2 qui explorent depuis plus de 40 ans et sont entrées dans l'espace interstellaire ; et le vaisseau spatial New Horizons qui a survolé Pluton et Arrokoth dans la ceinture de Kuiper.
Mais c'est un tout petit effet. Après avoir parcouru des milliards de kilomètres, la trajectoire d'un vaisseau spatial comme Pioneer 10 ne dévierait que d'environ 5 mètre (1.6 pieds) en raison de l'influence de la matière noire. "Ils ressentent l'effet de la matière noire, mais elle est si petite que nous ne pouvons pas la mesurer", a déclaré Green.
Où la force galactique prend-elle le dessus ?
A une certaine distance du Soleil, la force galactique devient plus puissante que l'attraction du Soleil, qui est faite de matière normale. Belbruno et Green ont calculé que cette transition se produit à environ 30,000 30,000 unités astronomiques, soit 100,000 XNUMX fois la distance de la Terre au Soleil. C'est bien au-delà de la distance de Pluton, mais toujours à l'intérieur du nuage d'Oort, un essaim de millions de comètes qui entoure le système solaire et s'étend jusqu'à XNUMX XNUMX unités astronomiques.
Cela signifie que la gravité de la matière noire aurait pu jouer un rôle dans la trajectoire d'objets comme 'Oumuamua, la comète ou l'astéroïde en forme de cigare qui est venu d'un autre système stellaire et a traversé le système solaire interne en 2017. Sa vitesse inhabituellement rapide pourrait s'expliquer par la gravité de la matière noire qui la pousse pendant des millions d'années, disent les auteurs.
S'il y a une planète géante dans les confins du système solaire, un objet hypothétique appelé Planète 9 ou Planète X que les scientifiques recherchaient depuis quelques années, la matière noire influencerait également son orbite. Si cette planète existe, la matière noire pourrait peut-être même la repousser de la zone où les scientifiques la recherchent actuellement, écrivent Green et Belbruno. La matière noire a peut-être également amené certaines des comètes du nuage d'Oort à s'échapper complètement de l'orbite du Soleil.
La gravité de la matière noire pourrait-elle être mesurée ?
Pour mesurer les effets de la matière noire dans le système solaire, un vaisseau spatial n'aurait pas nécessairement à voyager aussi loin. À une distance de 100 unités astronomiques, un vaisseau spatial avec la bonne expérience pourrait aider les astronomes à mesurer directement l'influence de la matière noire, ont déclaré Green et Belbruno.
Plus précisément, un vaisseau spatial équipé d'une puissance radio-isotopique, une technologie qui a permis à Pioneer 10 et 11, aux Voyagers et à New Horizon de voler très loin du Soleil, pourrait être en mesure de faire cette mesure. Un tel vaisseau spatial pourrait transporter une balle réfléchissante et la laisser tomber à une distance appropriée. La balle ne ressentirait que des forces galactiques, tandis que le vaisseau spatial subirait une force thermique de l'élément radioactif en décomposition dans son système d'alimentation, en plus des forces galactiques. En soustrayant la force thermique, les chercheurs pourraient alors examiner comment la force galactique est liée aux déviations des trajectoires respectives de la balle et du vaisseau spatial. Ces déviations seraient mesurées avec un laser lorsque les deux objets volent parallèlement l'un à l'autre.
Un concept de mission proposé appelé Interstellar Probe, qui vise à voyager à environ 500 unités astronomiques du Soleil pour explorer cet environnement inexploré, est une possibilité pour une telle expérience.
Deux vues de Hubble de l'amas massif de galaxies Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) sont présentées. À gauche se trouve la vue en lumière visible avec des arcs bleus étranges apparaissant parmi les galaxies jaunâtres. Ce sont les images agrandies et déformées des galaxies situées loin derrière l'amas. Leur lumière est courbée et amplifiée par l'immense gravité de l'amas dans un processus appelé lentille gravitationnelle. À droite, un ombrage bleu a été ajouté pour indiquer l'emplacement de la matière invisible appelée matière noire qui est mathématiquement nécessaire pour rendre compte de la nature et de l'emplacement des galaxies à lentille gravitationnelle qui sont vues. Crédit : NASA, ESA, MJ Jee et H. Ford (Université Johns Hopkins)
En savoir plus sur la matière noire
La matière noire en tant que masse cachée dans les galaxies a été proposée pour la première fois dans les années 1930 par Fritz Zwicky. Mais l'idée est restée controversée jusque dans les années 1960 et 1970, lorsque Vera C. Rubin et ses collègues ont confirmé que les mouvements des étoiles autour de leurs centres galactiques ne suivraient pas les lois de la physique si seule la matière normale était impliquée. Seule une gigantesque source de masse cachée peut expliquer pourquoi les étoiles à la périphérie des galaxies spirales comme la nôtre se déplacent aussi rapidement qu'elles.
Aujourd'hui, la nature de la matière noire est l'un des plus grands mystères de toute l'astrophysique. Des observatoires puissants comme le Le télescope spatial Hubble et l'observatoire Chandra X-Ray ont aidé les scientifiques à commencer à comprendre l'influence et la distribution de la matière noire dans l'univers en général. Hubble a exploré de nombreuses galaxies dont la matière noire contribue à un effet appelé "lentille», où la gravité plie l'espace lui-même et agrandit les images de galaxies plus éloignées.
Les astronomes en apprendront davantage sur la matière noire dans le cosmos avec le nouvel ensemble de télescopes à la pointe de la technologie. de la NASA Télescope spatial James Webb, qui a été lancé le 25 décembre 2021, contribuera à notre compréhension de la matière noire en prenant des images et d'autres données de galaxies et en observant leurs effets de lentille. Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, dont le lancement est prévu au milieu des années 2020, effectuera des relevés de plus d'un milliard de galaxies pour examiner l'influence de la matière noire sur leurs formes et leurs distributions.
La prochaine mission Euclid de l'Agence spatiale européenne, qui bénéficie d'une contribution de la NASA, ciblera également la matière noire et l'énergie noire, en remontant dans le temps environ 10 milliards d'années jusqu'à une période où l'énergie noire a commencé à accélérer l'expansion de l'univers. Et l'Observatoire Vera C. Rubin, une collaboration de la Fondation nationale des sciences, du Département de l'énergie et d'autres, qui est en construction au Chili, ajoutera des données précieuses à ce puzzle de la véritable essence de la matière noire.
Mais ces outils puissants sont conçus pour rechercher les effets puissants de la matière noire sur de grandes distances, et bien plus loin que dans notre système solaire, où l'influence de la matière noire est tellement plus faible.
"Si vous pouviez envoyer un vaisseau spatial là-bas pour le détecter, ce serait une énorme découverte", a déclaré Belbruno.
Référence : « En quittant le système solaire : la matière noire fait la différence » par Edward Belbruno et James Green, 4 janvier 2022, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab3781
