Ez a művész a saját Tejútrendszerünk galaxisát és annak központi sávját mutatja, ahogyan felülről nézve látszódhat. Köszönetnyilvánítás: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)
Hogyan mérhető a sötét anyag a Naprendszerben
Képek a Tejút csillagok milliárdjait mutatják be spirálisan elrendezve, amelyek a középpontból kisugároznak, közöttük világító gázzal. De a szemünk csak a felszínét láthatja annak, ami összetartja galaxisunkat. Galaxisunk tömegének körülbelül 95 százaléka láthatatlan, és nem lép kölcsönhatásba a fénnyel. A sötét anyagnak nevezett titokzatos anyagból áll, amelyet soha nem mértek közvetlenül.
Egy új tanulmány azt számolja ki, hogy a sötét anyag gravitációja hogyan hat a Naprendszerünkben lévő objektumokra, beleértve az űrhajókat és a távoli üstökösöket. Azt is javasolja, hogy a sötét anyag hatása közvetlenül megfigyelhető legyen egy jövőbeli kísérlet során. A cikk a A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítése.
„Azt jósoljuk, hogy ha elég messzire jutunk a Naprendszerben, akkor valóban lehetőségünk nyílik mérni a sötét anyag erejét” – mondta Jim Green, a tanulmány társszerzője és tanácsadója. NASA's tudományos főorvosi hivatal. "Ez az első ötlet, hogyan csináljuk, és hol csinálnánk."
Sötét anyag a kertünkben
Itt a Földön bolygónk gravitációja megakadályozza, hogy felszálljunk a székünkből, a Nap gravitációja pedig 365 napos ütemterv szerint kering bolygónkat. De minél távolabb repül a Naptól egy űrszonda, annál kevésbé érzi a Nap gravitációját, és annál inkább más gravitációs forrást érez: a galaxis többi részétől származó anyagot, amely többnyire sötét anyag. Galaxisunk 100 milliárd csillagának tömege elenyésző a Tejútrendszer sötétanyag-tartalmára vonatkozó becslésekhez képest.
Edward Belbruno, a tanulmány vezető szerzője, hogy megértse a sötét anyag Naprendszerre gyakorolt hatását, kiszámította a „galaktikus erőt”, a normál anyag és az egész galaxis sötét anyagával kombinált gravitációs erejét. Megállapította, hogy a Naprendszerben ennek az erőnek körülbelül 45 százaléka a sötét anyagból, 55 százaléka pedig a normál, úgynevezett „barion anyagból” származik. Ez azt sugallja, hogy a Naprendszerben a sötét anyag és a normál anyag tömege nagyjából fele-fele arányban oszlik meg.
"Kicsit meglepett a naprendszerünkben érzett, a sötét anyagból eredő galaktikus erő viszonylag csekély hozzájárulása a normál anyaghoz képest" - mondta Belbruno matematikus és asztrofizikus. Princeton University és a Yeshiva Egyetemen. "Ez azzal magyarázható, hogy a sötét anyag nagy része galaxisunk külső részein található, távol a naprendszerünktől."
A Tejútrendszert a sötét anyag „glória”-nak nevezett nagy terület veszi körül, és a galaxis sötét anyagának legnagyobb koncentrációját képviseli. A glóriában kevés vagy semmi normális anyag. Ha a Naprendszer nagyobb távolságra helyezkedne el a galaxis középpontjától, akkor a sötét anyag nagyobb hányadának hatásait érezné a galaktikus erőben, mert közelebb lenne a sötét anyag halójához – mondták a szerzők.
A művész elképzelése szerint a NASA Voyager 1 űrszondája madártávlatból látja a Naprendszert. A körök a főbb külső bolygók pályáját jelzik: a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz. Az 1977-ben indult Voyager 1 a Jupiter és a Szaturnusz bolygókat látogatta meg. Az űrszonda jelenleg több mint 14 milliárd mérföldre van a Földtől, ezzel a valaha épített legtávolabbi ember alkotta objektum. Valójában a Voyager 1 most a csillagközi térben közelít, a csillagok közötti területen, amely tele van gázzal, porral és haldokló csillagokból újrahasznosított anyagokkal. Köszönetnyilvánítás: NASA, ESA és G. Bacon (STScI)
Hogyan befolyásolhatja a sötét anyag az űrhajókat
Green és Belbruno azt jósolják, hogy a sötét anyag gravitációja olyan csekély kölcsönhatásba lép az összes űreszközzel, amelyet a NASA a Naprendszerből kivezető utakra küldött.
"Ha az űrhajók elég hosszú ideig haladnak át a sötét anyagon, megváltozik a pályájuk, és ezt fontos figyelembe venni bizonyos jövőbeli küldetések küldetésének tervezésénél" - mondta Belbruno.
Ilyen űrjárművek lehetnek az 10-ben, illetve 11-ban felbocsátott Pioneer 1972 és 1973 szondák; a Voyager 1 és 2 szondák, amelyek több mint 40 éve kutatnak és beléptek a csillagközi űrbe; és a New Horizons űrszonda, amely elrepült Plútó és Arrokoth a Kuiper-övben.
De ez egy apró hatás. Több milliárd mérföld megtétele után a Pioneer 10-hez hasonló űrszonda útja csak körülbelül 5 méterrel térne el a sötét anyag hatására. "Érzik a sötét anyag hatását, de az olyan kicsi, hogy nem tudjuk mérni" - mondta Green.
Hol veszi át a hatalmat a galaktikus erő?
A Naptól bizonyos távolságra a galaktikus erő erősebbé válik, mint a normál anyagból álló Nap vonzása. Belbruno és Green számításai szerint ez az átmenet körülbelül 30,000 30,000 csillagászati egységnél, vagyis a Föld és a Nap távolságának 100,000 XNUMX-szeresénél megy végbe. Ez jóval túl van a Plútó távolságán, de még mindig az Oort-felhőben, egy milliónyi üstökösrajban, amely körülveszi a Naprendszert, és eléri a XNUMX XNUMX csillagászati egységet.
Ez azt jelenti, hogy a sötét anyag gravitációja szerepet játszhatott az olyan objektumok röppályájában, mint az Oumuamua, a szivar alakú üstökös vagy aszteroida, amely egy másik csillagrendszerből származott, és 2017-ben áthaladt a belső Naprendszeren. Szokatlanul nagy sebessége megmagyarázható. A szerzők szerint a sötét anyag gravitációja nyomta rá évmilliókon át.
Ha van egy óriásbolygó a Naprendszer külső részén, akkor egy hipotetikus objektum az ún Planet 9 vagy Planet X amit a tudósok az elmúlt években kerestek, a sötét anyag is befolyásolná pályáját. Ha ez a bolygó létezik, a sötét anyag talán még el is lökheti arról a területről, ahol a tudósok jelenleg keresik – írja Green és Belbruno. A sötét anyag okozhatta azt is, hogy az Oort-felhő üstököseinek egy része teljesen kikerült a Nap pályájáról.
Meg lehet mérni a sötét anyag gravitációját?
Ahhoz, hogy a sötét anyag hatását mérjük a Naprendszerben, egy űrhajónak nem kell feltétlenül ilyen messzire utaznia. Green és Belbruno szerint 100 csillagászati egységnyi távolságban egy megfelelő kísérlettel rendelkező űrszonda segíthet a csillagászoknak a sötét anyag hatásának közvetlen mérésében.
Pontosabban, egy radioizotópos energiával felszerelt űrhajó, amely technológia lehetővé tette a Pioneer 10 és 11, a Voyagers és a New Horizon számára, hogy nagyon messze repüljön a Naptól, képes lehet elvégezni ezt a mérést. Egy ilyen űrhajó hordozhat egy fényvisszaverő labdát, és megfelelő távolságra ledobhatja. A golyó csak galaktikus erőket érezne, míg az űrszonda a galaktikus erők mellett a bomló radioaktív elemből származó hőerőt is érezné energiarendszerében. A hőerő kivonása után a kutatók megvizsgálhatják, hogy a galaktikus erő hogyan viszonyul a labda és az űrhajó megfelelő pályáinak eltéréseihez. Ezeket az eltéréseket lézerrel mérnék, amikor a két tárgy párhuzamosan repül egymással.
Az Interstellar Probe elnevezésű javasolt küldetési koncepció, amelynek célja, hogy a Naptól körülbelül 500 csillagászati egységre utazzon, hogy feltárja ezt a feltérképezetlen környezetet, egy ilyen kísérlet lehetőség.
Két Hubble nézet látható a hatalmas Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) galaxishalmazról. Balra a látható fényben látható kilátás, a sárgás galaxisok között furcsa kinézetű kék ívekkel. Ezek a nagyított és torzított képek a halmaz mögött található galaxisokról. Fényüket a halmaz hatalmas gravitációja meggörbíti és felerősíti a gravitációs lencséknek nevezett folyamat során. A jobb oldalon egy kék árnyalatot adtak hozzá, amely jelzi a sötét anyagnak nevezett láthatatlan anyag helyét, amely matematikailag szükséges a látható gravitációs lencsékkel ellátott galaxisok természetének és elhelyezkedésének figyelembevételéhez. Köszönetnyilvánítás: NASA, ESA, MJ Jee és H. Ford (Johns Hopkins Egyetem)
Bővebben a sötét anyagról
Fritz Zwicky javasolta először a sötét anyagot, mint a galaxisok rejtett tömegét az 1930-as években. Az ötlet azonban vitatott maradt egészen az 1960-as és 1970-es évekig, amikor Vera C. Rubin és munkatársai megerősítették, hogy a csillagok mozgása galaktikus központjaik körül nem követné a fizika törvényeit, ha csak a normál anyagról lenne szó. Csak egy óriási rejtett tömegforrás magyarázhatja meg, hogy a miénkhez hasonló spirálgalaxisok peremén miért mozognak olyan gyorsan a csillagok, mint ők.
Ma a sötét anyag természete az egyik legnagyobb rejtély az egész asztrofizikában. Erőteljes obszervatóriumok, mint a Hubble Űrtávcső és a Chandra X-Ray Obszervatórium segített a tudósoknak megérteni a sötét anyag hatását és eloszlását az univerzumban. A Hubble számos galaxist feltárt, amelyek sötét anyaga hozzájárul az úgynevezettlencsézés”, ahol a gravitáció meggörbíti magát a teret, és felnagyítja a távolabbi galaxisok képeit.
A csillagászok többet megtudhatnak a kozmosz sötét anyagáról a legújabb korszerű távcsövek segítségével. A NASA-é James Webb Űrtávcső, amely 25. december 2021-én indult, hozzájárul majd a sötét anyag megértéséhez azáltal, hogy képeket és egyéb adatokat készít galaxisokról, és megfigyeli azok lencsehatásait. A NASA Nancy Grace római űrteleszkópja, amely a 2020-as évek közepén indul, több mint egymilliárd galaxist fog végezni, hogy megvizsgálja a sötét anyag alakjukra és eloszlásukra gyakorolt hatását.
Az Európai Űrügynökség közelgő Euclid küldetése, amelyhez a NASA is hozzájárul, a sötét anyagot és a sötét energiát is megcélozza, mintegy 10 milliárd évre visszatekintve arra az időszakra, amikor a sötét energia elkezdte felgyorsítani az univerzum tágulását. A Chilében épülő Vera C. Rubin Obszervatórium pedig, amely a Nemzeti Tudományos Alapítvány, az Energiaügyi Minisztérium és mások együttműködése, értékes adatokkal szolgál majd a sötét anyag valódi lényegének rejtvényéhez.
De ezeket a hatékony eszközöket arra tervezték, hogy a sötét anyag erős hatását nagy távolságokon keresztül és sokkal messzebbre is megkeressék, mint a mi Naprendszerünkben, ahol a sötét anyag hatása sokkal gyengébb.
"Ha egy űrszondát küldhetne oda, hogy észlelje, az hatalmas felfedezés lenne" - mondta Belbruno.
Hivatkozás: „Amikor elhagyjuk a Naprendszert: A sötét anyag változást jelent” Edward Belbruno és James Green, 4. január 2022. A Királyi Csillagászati Társaság havi értesítése.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
