Il rendering di questo artista mostra una vista della nostra Via Lattea e della sua barra centrale come potrebbe apparire se vista dall'alto. Credito: NASA/JPL-Caltech/R. Ferito (SSC)
Come si potrebbe misurare la materia oscura nel sistema solare
Immagini di via Lattea mostrano miliardi di stelle disposte a spirale che si irradiano dal centro, con gas illuminato nel mezzo. Ma i nostri occhi possono solo intravedere la superficie di ciò che tiene unita la nostra galassia. Circa il 95 per cento della massa della nostra galassia è invisibile e non interagisce con la luce. È fatto di una misteriosa sostanza chiamata materia oscura, che non è mai stata misurata direttamente.
Ora, un nuovo studio calcola in che modo la gravità della materia oscura influenza gli oggetti nel nostro sistema solare, inclusi veicoli spaziali e comete lontane. Propone anche un modo in cui l'influenza della materia oscura potrebbe essere osservata direttamente con un esperimento futuro. L'articolo è pubblicato nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
"Prevediamo che se esci abbastanza lontano nel sistema solare, avrai effettivamente l'opportunità di iniziare a misurare la forza della materia oscura", ha affermato Jim Green, coautore dello studio e consulente di NASA's Office of the Chief Scientist. "Questa è la prima idea su come farlo e dove lo faremmo".
Materia oscura nel nostro cortile
Qui sulla Terra, la gravità del nostro pianeta ci impedisce di volare fuori dalle nostre sedie e la gravità del Sole mantiene il nostro pianeta in orbita con un programma di 365 giorni. Ma più lontano dal Sole vola un veicolo spaziale, meno sente la gravità del Sole e più sente una diversa fonte di gravità: quella della materia dal resto della galassia, che è principalmente materia oscura. La massa dei 100 miliardi di stelle della nostra galassia è minuscola rispetto alle stime del contenuto di materia oscura della Via Lattea.
Per comprendere l'influenza della materia oscura nel sistema solare, l'autore principale dello studio Edward Belbruno ha calcolato la "forza galattica", la forza gravitazionale complessiva della materia normale combinata con la materia oscura dell'intera galassia. Ha scoperto che nel sistema solare, circa il 45 percento di questa forza proviene dalla materia oscura e il 55 percento dalla normale, cosiddetta "materia barionica". Ciò suggerisce una divisione di circa metà e metà tra la massa della materia oscura e la materia normale nel sistema solare.
"Sono rimasto un po' sorpreso dal contributo relativamente piccolo della forza galattica dovuto alla materia oscura percepito nel nostro sistema solare rispetto alla forza dovuta alla materia normale", ha detto Belbruno, matematico e astrofisico di Università di Princeton e Università Yeshiva. "Ciò è spiegato dal fatto che la maggior parte della materia oscura si trova nelle parti esterne della nostra galassia, lontano dal nostro sistema solare".
Una vasta regione chiamata "alone" di materia oscura circonda la Via Lattea e rappresenta la più grande concentrazione di materia oscura della galassia. C'è poca o nessuna materia normale nell'alone. Se il sistema solare si trovasse a una distanza maggiore dal centro della galassia, risentirebbe degli effetti di una proporzione maggiore di materia oscura nella forza galattica perché sarebbe più vicino all'alone di materia oscura, affermano gli autori.
Nella concezione di questo artista, la navicella spaziale Voyager 1 della NASA ha una vista a volo d'uccello del sistema solare. I cerchi rappresentano le orbite dei principali pianeti esterni: Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Lanciato nel 1977, il Voyager 1 ha visitato i pianeti Giove e Saturno. Il veicolo spaziale è ora a più di 14 miliardi di miglia dalla Terra, il che lo rende l'oggetto creato dall'uomo più lontano mai costruito. In effetti, la Voyager 1 sta ora zoomando nello spazio interstellare, la regione tra le stelle piena di gas, polvere e materiale riciclato dalle stelle morenti. Credito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI)
Come la materia oscura può influenzare i veicoli spaziali
Green e Belbruno prevedono che la gravità della materia oscura interagisce leggermente con tutte le navicelle spaziali che la NASA ha inviato sui percorsi che portano fuori dal sistema solare, secondo il nuovo studio.
"Se i veicoli spaziali si muovono attraverso la materia oscura abbastanza a lungo, le loro traiettorie cambiano, e questo è importante da tenere in considerazione per la pianificazione delle missioni per alcune missioni future", ha detto Belbruno.
Tali veicoli spaziali possono includere le sonde Pioneer 10 e 11 in pensione lanciate rispettivamente nel 1972 e nel 1973; le sonde Voyager 1 e 2 che esplorano da più di 40 anni e sono entrate nello spazio interstellare; e la navicella spaziale New Horizons che è volata Plutone e Arrokoth nella cintura di Kuiper.
Ma è un piccolo effetto. Dopo aver percorso miliardi di miglia, il percorso di un veicolo spaziale come Pioneer 10 devierebbe solo di circa 5 piedi (1.6 metri) a causa dell'influenza della materia oscura. "Sentono l'effetto della materia oscura, ma è così piccolo che non possiamo misurarlo", ha detto Green.
Dove prende il sopravvento la forza galattica?
Ad una certa distanza dal Sole, la forza galattica diventa più potente dell'attrazione del Sole, che è fatta di materia normale. Belbruno e Green hanno calcolato che questa transizione avviene a circa 30,000 unità astronomiche, ovvero 30,000 volte la distanza dalla Terra al Sole. Questo è ben oltre la distanza di Plutone, ma è ancora all'interno della Nube di Oort, uno sciame di milioni di comete che circonda il sistema solare e si estende per 100,000 unità astronomiche.
Ciò significa che la gravità della materia oscura potrebbe aver avuto un ruolo nella traiettoria di oggetti come 'Oumuamua, la cometa o asteroide a forma di sigaro che proveniva da un altro sistema stellare ed è passata attraverso il sistema solare interno nel 2017. La sua velocità insolitamente elevata potrebbe essere spiegata dalla gravità della materia oscura che la spinge per milioni di anni, affermano gli autori.
Se c'è un pianeta gigante nelle parti più esterne del sistema solare, un ipotetico oggetto chiamato Pianeta 9 o Pianeta X che gli scienziati hanno cercato negli ultimi anni, anche la materia oscura influenzerebbe la sua orbita. Se questo pianeta esiste, la materia oscura potrebbe forse anche allontanarlo dall'area in cui gli scienziati lo stanno attualmente cercando, scrivono Green e Belbruno. La materia oscura potrebbe anche aver causato la fuga del tutto dall'orbita del Sole alcune delle comete della Nube di Oort.
Si può misurare la gravità della materia oscura?
Per misurare gli effetti della materia oscura nel sistema solare, un veicolo spaziale non dovrebbe necessariamente viaggiare così lontano. A una distanza di 100 unità astronomiche, un veicolo spaziale con il giusto esperimento potrebbe aiutare gli astronomi a misurare direttamente l'influenza della materia oscura, hanno detto Green e Belbruno.
In particolare, un veicolo spaziale dotato di potenza radioisotopica, una tecnologia che ha permesso a Pioneer 10 e 11, ai Voyager e a New Horizon di volare molto lontano dal Sole, potrebbe essere in grado di effettuare questa misurazione. Un tale veicolo spaziale potrebbe trasportare una palla riflettente e farla cadere a una distanza adeguata. La palla percepirebbe solo le forze galattiche, mentre il veicolo spaziale sperimenterebbe una forza termica dall'elemento radioattivo in decadimento nel suo sistema di alimentazione, oltre alle forze galattiche. Sottraendo la forza termica, i ricercatori potrebbero quindi osservare come la forza galattica si relaziona alle deviazioni nelle rispettive traiettorie della sfera e del veicolo spaziale. Tali deviazioni verrebbero misurate con un laser mentre i due oggetti volano paralleli l'uno all'altro.
Un concetto di missione proposto chiamato Interstellar Probe, che mira a viaggiare a circa 500 unità astronomiche dal Sole per esplorare quell'ambiente inesplorato, è una possibilità per un tale esperimento.
Sono mostrate due viste da Hubble del massiccio ammasso di galassie Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). A sinistra c'è la vista in luce visibile con strani archi blu che appaiono tra le galassie giallastre. Queste sono le immagini ingrandite e distorte delle galassie situate molto dietro l'ammasso. La loro luce è piegata e amplificata dall'immensa gravità dell'ammasso in un processo chiamato lente gravitazionale. A destra, è stata aggiunta un'ombreggiatura blu per indicare la posizione del materiale invisibile chiamato materia oscura che è matematicamente richiesta per spiegare la natura e la posizione delle galassie gravitazionalmente osservate. Credito: NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Johns Hopkins University)
Altro sulla materia oscura
La materia oscura come massa nascosta nelle galassie fu proposta per la prima volta negli anni '1930 da Fritz Zwicky. Ma l'idea rimase controversa fino agli anni '1960 e '1970, quando Vera C. Rubin e colleghi confermarono che i movimenti delle stelle attorno ai loro centri galattici non avrebbero seguito le leggi della fisica se fosse stata coinvolta solo la materia normale. Solo una gigantesca sorgente nascosta di massa può spiegare perché le stelle alla periferia di galassie a spirale come la nostra si muovono così velocemente.
Oggi, la natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri di tutta l'astrofisica. Potenti osservatori come il Telescopio spaziale Hubble e il Chandra X-Ray Observatory hanno aiutato gli scienziati a iniziare a comprendere l'influenza e la distribuzione della materia oscura nell'universo in generale. Hubble ha esplorato molte galassie la cui materia oscura contribuisce a un effetto chiamato "lente”, dove la gravità piega lo spazio stesso e ingrandisce le immagini di galassie più lontane.
Gli astronomi impareranno di più sulla materia oscura nel cosmo con il nuovissimo set di telescopi all'avanguardia. della NASA James Webb Space Telescope, lanciato il 25 dicembre 2021, contribuirà alla nostra comprensione della materia oscura acquisendo immagini e altri dati delle galassie e osservando i loro effetti di lente. Il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto per la metà degli anni 2020, condurrà indagini su oltre un miliardo di galassie per esaminare l'influenza della materia oscura sulle loro forme e distribuzioni.
La prossima missione Euclid dell'Agenzia spaziale europea, che ha un contributo della NASA, mirerà anche alla materia oscura e all'energia oscura, guardando indietro nel tempo di circa 10 miliardi di anni, fino a un periodo in cui l'energia oscura iniziò ad accelerare l'espansione dell'universo. E l'Osservatorio Vera C. Rubin, una collaborazione tra la National Science Foundation, il Dipartimento dell'Energia e altri, che è in costruzione in Cile, aggiungerà dati preziosi a questo puzzle della vera essenza della materia oscura.
Ma questi potenti strumenti sono progettati per cercare i forti effetti della materia oscura su grandi distanze e molto più lontano che nel nostro sistema solare, dove l'influenza della materia oscura è molto più debole.
"Se potessi inviare un veicolo spaziale là fuori per rilevarlo, sarebbe un'enorme scoperta", ha detto Belbruno.
Riferimento: "Quando si lascia il sistema solare: la materia oscura fa la differenza" di Edward Belbruno e James Green, 4 gennaio 2022, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab3781
