Paparan artis ini menunjukkan pemandangan Galaksi Bima Sakti kita sendiri dan bar tengahnya kerana ia mungkin kelihatan jika dilihat dari atas. Kredit: NASA/JPL-Caltech/R. Sakit (SSC)
Bagaimana Jirim Gelap Boleh Diukur dalam Sistem Suria
Gambar daripada Bima Sakti tunjukkan berbilion bintang tersusun dalam corak lingkaran yang memancar keluar dari pusat, dengan gas bercahaya di antaranya. Tetapi mata kita hanya dapat melihat permukaan apa yang menyatukan galaksi kita. Kira-kira 95 peratus daripada jisim galaksi kita tidak kelihatan dan tidak berinteraksi dengan cahaya. Ia diperbuat daripada bahan misteri yang dipanggil jirim gelap, yang tidak pernah diukur secara langsung.
Kini, satu kajian baharu mengira bagaimana graviti jirim gelap mempengaruhi objek dalam sistem suria kita, termasuk kapal angkasa dan komet jauh. Ia juga mencadangkan cara pengaruh jirim gelap boleh diperhatikan secara langsung dengan eksperimen masa hadapan. Artikel itu diterbitkan dalam Notis Bulanan Persatuan Astronomi Diraja.
"Kami meramalkan bahawa jika anda keluar cukup jauh dalam sistem suria, anda sebenarnya mempunyai peluang untuk mula mengukur daya jirim gelap," kata Jim Green, pengarang bersama kajian dan penasihat kepada NASAPejabat Ketua Saintis. "Ini adalah idea pertama bagaimana untuk melakukannya dan di mana kami akan melakukannya."
Perkara gelap di belakang rumah kami
Di Bumi, graviti planet kita menghalang kita daripada terbang keluar dari kerusi kita, dan graviti Matahari memastikan planet kita mengorbit pada jadual 365 hari. Tetapi semakin jauh dari Matahari sebuah kapal angkasa terbang, semakin kurang ia merasakan graviti Matahari, dan semakin ia merasakan sumber graviti yang berbeza: bahan itu dari seluruh galaksi, yang kebanyakannya adalah jirim gelap. Jisim 100 bilion bintang galaksi kita adalah sangat kecil berbanding anggaran kandungan jirim gelap Bima Sakti.
Untuk memahami pengaruh jirim gelap dalam sistem suria, pengarang utama kajian Edward Belbruno mengira "daya galaksi," keseluruhan daya graviti jirim normal digabungkan dengan jirim gelap dari seluruh galaksi. Dia mendapati bahawa dalam sistem suria, kira-kira 45 peratus daripada daya ini adalah daripada jirim gelap dan 55 peratus adalah daripada biasa, yang dipanggil "bahan baryonic." Ini menunjukkan perpecahan kira-kira setengah setengah antara jisim jirim gelap dan jirim normal dalam sistem suria.
"Saya agak terkejut dengan sumbangan daya galaksi yang agak kecil disebabkan oleh jirim gelap yang dirasai dalam sistem suria kita berbanding dengan daya yang disebabkan oleh jirim biasa," kata Belbruno, ahli matematik dan ahli astrofizik di Universiti Princeton dan Universiti Yeshiva. "Ini dijelaskan oleh fakta kebanyakan jirim gelap berada di bahagian luar galaksi kita, jauh dari sistem suria kita."
Kawasan besar yang dipanggil "halo" jirim gelap mengelilingi Bima Sakti dan mewakili kepekatan terbesar jirim gelap galaksi. Terdapat sedikit atau tiada perkara biasa dalam lingkaran cahaya. Jika sistem suria terletak pada jarak yang lebih jauh dari pusat galaksi, ia akan merasakan kesan sebahagian besar jirim gelap dalam daya galaksi kerana ia akan lebih dekat dengan halo jirim gelap, kata penulis.
Dalam konsep artis ini, kapal angkasa Voyager 1 NASA mempunyai pandangan mata burung ke atas sistem suria. Bulatan mewakili orbit planet luar utama: Musytari, Zuhal, Uranus, dan Neptun. Dilancarkan pada tahun 1977, Voyager 1 melawat planet Musytari dan Zuhal. Kapal angkasa itu kini berada lebih daripada 14 bilion batu dari Bumi, menjadikannya objek buatan manusia paling jauh pernah dibina. Malah, Voyager 1 kini sedang mengezum melalui ruang antara bintang, kawasan antara bintang yang dipenuhi dengan gas, habuk dan bahan yang dikitar semula daripada bintang yang mati. Kredit: NASA, ESA dan G. Bacon (STScI)
Bagaimana jirim gelap boleh mempengaruhi kapal angkasa
Green dan Belbruno meramalkan bahawa graviti jirim gelap sangat sedikit berinteraksi dengan semua kapal angkasa yang telah dihantar oleh NASA di laluan yang menuju keluar dari sistem suria, menurut kajian baru itu.
"Jika kapal angkasa bergerak melalui perkara gelap cukup lama, trajektori mereka berubah, dan ini penting untuk mengambil kira perancangan misi untuk misi masa depan tertentu," kata Belbruno.
Kapal angkasa tersebut mungkin termasuk probe Pioneer 10 dan 11 yang telah bersara yang dilancarkan pada 1972 dan 1973, masing-masing; probe Voyager 1 dan 2 yang telah meneroka selama lebih daripada 40 tahun dan telah memasuki ruang antara bintang; dan kapal angkasa New Horizons yang telah terbang Pluto dan Arrokoth di Kuiper Belt.
Tetapi ia adalah kesan kecil. Selepas menempuh berbilion batu, laluan kapal angkasa seperti Pioneer 10 hanya akan menyimpang kira-kira 5 kaki (1.6 meter) disebabkan oleh pengaruh jirim gelap. "Mereka merasakan kesan jirim gelap, tetapi ia sangat kecil, kami tidak dapat mengukurnya," kata Green.
Di manakah kuasa galaksi mengambil alih?
Pada jarak tertentu dari Matahari, daya galaksi menjadi lebih kuat daripada tarikan Matahari, yang diperbuat daripada bahan biasa. Belbruno dan Green mengira bahawa peralihan ini berlaku pada sekitar 30,000 unit astronomi, atau 30,000 kali jarak dari Bumi ke Matahari. Itu jauh di luar jarak Pluto, tetapi masih di dalam Awan Oort, sekumpulan berjuta-juta komet yang mengelilingi sistem suria dan meluas hingga 100,000 unit astronomi.
Ini bermakna graviti jirim gelap boleh memainkan peranan dalam trajektori objek seperti 'Oumuamua, komet atau asteroid berbentuk cerut yang datang dari sistem bintang lain dan melalui sistem suria dalaman pada 2017. Kelajuannya yang luar biasa pantas dapat dijelaskan oleh graviti jirim gelap yang menolaknya selama berjuta-juta tahun, kata penulis.
Jika terdapat planet gergasi di bahagian luar sistem suria, objek hipotesis dipanggil Planet 9 atau Planet X yang telah dicari oleh saintis sejak beberapa tahun kebelakangan ini, jirim gelap juga akan mempengaruhi orbitnya. Jika planet ini wujud, jirim gelap mungkin boleh menolaknya dari kawasan di mana saintis sedang mencarinya, tulis Green dan Belbruno. Bahan gelap mungkin juga menyebabkan beberapa komet Awan Oort terlepas sama sekali dari orbit Matahari.
Bolehkah graviti jirim gelap diukur?
Untuk mengukur kesan bahan gelap dalam sistem suria, kapal angkasa tidak semestinya perlu melakukan perjalanan sejauh itu. Pada jarak 100 unit astronomi, kapal angkasa dengan eksperimen yang betul boleh membantu ahli astronomi mengukur pengaruh jirim gelap secara langsung, kata Green dan Belbruno.
Khususnya, kapal angkasa yang dilengkapi dengan kuasa radioisotop, teknologi yang telah membenarkan Pioneer 10 dan 11, Voyagers, dan New Horizon terbang sangat jauh dari Matahari, mungkin boleh membuat pengukuran ini. Kapal angkasa seperti itu boleh membawa bola reflektif dan menjatuhkannya pada jarak yang sesuai. Bola akan merasakan hanya daya galaksi, manakala kapal angkasa akan mengalami daya terma daripada unsur radioaktif yang mereput dalam sistem kuasanya, sebagai tambahan kepada daya galaksi. Mengurangkan daya terma, penyelidik kemudiannya boleh melihat bagaimana daya galaksi berkaitan dengan penyimpangan dalam trajektori masing-masing bola dan kapal angkasa. Penyimpangan tersebut akan diukur dengan laser kerana kedua-dua objek terbang selari antara satu sama lain.
Konsep misi yang dicadangkan dipanggil Interstellar Probe, yang bertujuan untuk mengembara ke kira-kira 500 unit astronomi dari Matahari untuk meneroka persekitaran yang belum dipetakan itu, adalah satu kemungkinan untuk eksperimen sedemikian.
Dua pandangan dari Hubble bagi gugusan galaksi besar Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) ditunjukkan. Di sebelah kiri ialah pandangan dalam cahaya boleh dilihat dengan lengkok biru yang kelihatan ganjil muncul di antara galaksi kekuningan. Ini ialah imej galaksi yang diperbesar dan diherotkan yang terletak jauh di belakang gugusan. Cahaya mereka dibengkokkan dan dikuatkan oleh graviti besar gugusan dalam proses yang dipanggil kanta graviti. Di sebelah kanan, teduhan biru telah ditambahkan untuk menunjukkan lokasi bahan halimunan yang dipanggil jirim gelap yang diperlukan secara matematik untuk mengambil kira sifat dan penempatan galaksi berlensa graviti yang dilihat. Kredit: NASA, ESA, MJ Jee dan H. Ford (Universiti Johns Hopkins)
Lebih lanjut mengenai jirim gelap
Bahan gelap sebagai jisim tersembunyi dalam galaksi pertama kali dicadangkan pada tahun 1930-an oleh Fritz Zwicky. Tetapi idea itu kekal kontroversi sehingga tahun 1960-an dan 1970-an, apabila Vera C. Rubin dan rakan sekerja mengesahkan bahawa gerakan bintang di sekeliling pusat galaksi mereka tidak akan mengikut undang-undang fizik jika hanya perkara biasa yang terlibat. Hanya sumber jisim tersembunyi yang besar yang boleh menjelaskan mengapa bintang di pinggir galaksi lingkaran seperti kita bergerak sepantasnya.
Hari ini, sifat jirim gelap adalah salah satu misteri terbesar dalam semua astrofizik. Balai cerap yang berkuasa seperti Teleskop Angkasa Hubble dan Balai Cerap X-Ray Chandra telah membantu saintis mula memahami pengaruh dan pengedaran jirim gelap di alam semesta pada umumnya. Hubble telah meneroka banyak galaksi yang jirim gelapnya menyumbang kepada kesan yang dipanggil "lensa,” di mana graviti membengkokkan ruang itu sendiri dan membesarkan imej galaksi yang lebih jauh.
Ahli astronomi akan mengetahui lebih lanjut tentang jirim gelap dalam kosmos dengan set teleskop terkini yang terkini. milik NASA Teleskop Angkasa James Webb, yang dilancarkan pada 25 Dis 2021, akan menyumbang kepada pemahaman kita tentang jirim gelap dengan mengambil imej dan data galaksi lain serta memerhatikan kesan kantanya. Teleskop Angkasa Roman Nancy Grace NASA, yang akan dilancarkan pada pertengahan 2020-an, akan menjalankan tinjauan ke atas lebih satu bilion galaksi untuk melihat pengaruh jirim gelap pada bentuk dan pengedarannya.
Misi Euclid Agensi Angkasa Eropah yang akan datang, yang mempunyai sumbangan NASA, juga akan menyasarkan jirim gelap dan tenaga gelap, melihat ke belakang masa kira-kira 10 bilion tahun ke tempoh apabila tenaga gelap mula mempercepatkan pengembangan alam semesta. Dan Balai Cerap Vera C. Rubin, kerjasama Yayasan Sains Kebangsaan, Jabatan Tenaga, dan lain-lain, yang sedang dalam pembinaan di Chile, akan menambah data berharga kepada teka-teki intipati sebenar jirim gelap ini.
Tetapi alat berkuasa ini direka bentuk untuk mencari kesan kuat jirim gelap merentasi jarak yang jauh, dan jauh lebih jauh daripada sistem suria kita, di mana pengaruh jirim gelap adalah jauh lebih lemah.
"Jika anda boleh menghantar kapal angkasa ke luar sana untuk mengesannya, itu akan menjadi penemuan besar," kata Belbruno.
Rujukan: "Apabila meninggalkan sistem Suria: Jirim gelap membuat perbezaan" oleh Edward Belbruno dan James Green, 4 Januari 2022, Notis Bulanan Persatuan Astronomi Diraja.
DOI: 10.1093/mnras/tikam3781
