Ten rendering artysty pokazuje widok naszej własnej Galaktyki Mlecznej Drogi i jej centralnej poprzeczki, tak jak mogłaby wyglądać, gdy patrzy się na nią z góry. Źródło: NASA/JPL-Caltech/R. Zraniony (SSC)
Jak można mierzyć ciemną materię w Układzie Słonecznym?
Zdjęcia droga Mleczna pokaż miliardy gwiazd ułożonych w spiralny wzór promieniujący ze środka, z oświetlonym gazem pomiędzy nimi. Ale nasze oczy mogą jedynie dostrzec powierzchnię tego, co spaja naszą galaktykę. Około 95 procent masy naszej galaktyki jest niewidoczne i nie wchodzi w interakcje ze światłem. Składa się z tajemniczej substancji zwanej ciemną materią, której nigdy nie zmierzono bezpośrednio.
Teraz nowe badanie oblicza, jak grawitacja ciemnej materii wpływa na obiekty w naszym Układzie Słonecznym, w tym statki kosmiczne i odległe komety. Proponuje również sposób, w jaki wpływ ciemnej materii może być bezpośrednio obserwowany w przyszłym eksperymencie. Artykuł został opublikowany w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
„Przewidujemy, że jeśli wyjdziesz wystarczająco daleko w Układzie Słonecznym, będziesz miał możliwość rozpoczęcia pomiaru siły ciemnej materii” – powiedział Jim Green, współautor badania i doradca NASABiuro Głównego Naukowca. „To pierwszy pomysł, jak to zrobić i gdzie byśmy to zrobili”.
Ciemna materia na naszym podwórku
Tutaj, na Ziemi, grawitacja naszej planety nie pozwala nam wylecieć z krzeseł, a grawitacja Słońca utrzymuje naszą planetę na orbicie według harmonogramu 365 dni. Ale im dalej od Słońca leci statek kosmiczny, tym mniej czuje słoneczną grawitację, a tym bardziej odczuwa inne źródło grawitacji: materii z reszty galaktyki, która jest w większości ciemna materia. Masa 100 miliardów gwiazd naszej galaktyki jest znikoma w porównaniu z szacunkami zawartości ciemnej materii w Drodze Mlecznej.
Aby zrozumieć wpływ ciemnej materii w Układzie Słonecznym, główny autor badania Edward Belbruno obliczył „siłę galaktyczną”, ogólną siłę grawitacyjną normalnej materii w połączeniu z ciemną materią z całej galaktyki. Odkrył, że w Układzie Słonecznym około 45 procent tej siły pochodzi z ciemnej materii, a 55 procent z normalnej, tak zwanej „materii barionowej”. Sugeruje to mniej więcej półtora podziału między masą ciemnej i normalnej materii w Układzie Słonecznym.
„Byłem nieco zaskoczony stosunkowo niewielkim wkładem siły galaktycznej spowodowanej ciemną materią odczuwaną w naszym Układzie Słonecznym w porównaniu z siłą wywołaną przez normalną materię”, powiedział Belbruno, matematyk i astrofizyk w Princeton University i Uniwersytet Jesziwy. „Wyjaśnia to fakt, że większość ciemnej materii znajduje się w zewnętrznych częściach naszej galaktyki, z dala od naszego Układu Słonecznego”.
Duży obszar zwany „halo” ciemnej materii otacza Drogę Mleczną i reprezentuje największe skupienie ciemnej materii w Galaktyce. W halo nie ma prawie żadnej normalnej materii. Autorzy twierdzą, że gdyby Układ Słoneczny znajdował się w większej odległości od centrum galaktyki, odczułby skutki większego udziału ciemnej materii w sile galaktycznej, ponieważ byłby bliżej halo ciemnej materii.
W koncepcji tego artysty statek kosmiczny NASA Voyager 1 ma widok z lotu ptaka na Układ Słoneczny. Koła reprezentują orbity głównych planet zewnętrznych: Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Wystrzelony w 1977, Voyager 1 odwiedził planety Jowisz i Saturn. Statek kosmiczny znajduje się obecnie ponad 14 miliardów mil od Ziemi, co czyni go najdalszym obiektem stworzonym przez człowieka, jaki kiedykolwiek zbudowano. W rzeczywistości Voyager 1 zbliża się teraz do przestrzeni międzygwiazdowej, obszaru między gwiazdami, który jest wypełniony gazem, pyłem i materią odzyskaną z umierających gwiazd. Źródło: NASA, ESA i G. Bacon (STScI)
Jak ciemna materia może wpływać na statek kosmiczny
Według nowych badań Green i Belbruno przewidują, że grawitacja ciemnej materii w niewielkim stopniu oddziałuje ze wszystkimi statkami kosmicznymi, które NASA wysłała na ścieżki prowadzące poza Układ Słoneczny.
„Jeśli statki kosmiczne poruszają się przez ciemną materię wystarczająco długo, ich trajektorie ulegają zmianie, co należy wziąć pod uwagę przy planowaniu misji dla niektórych przyszłych misji” – powiedział Belbruno.
Taki statek kosmiczny może obejmować wycofane sondy Pioneer 10 i 11, które zostały wystrzelone odpowiednio w 1972 i 1973 roku; sondy Voyager 1 i 2, które eksplorują od ponad 40 lat i weszły w przestrzeń międzygwiezdną; i statek kosmiczny Nowe Horyzonty, który przeleciał obok Pluton i Arrokoth w Pasie Kuipera.
Ale to drobny efekt. Po przebyciu miliardów mil ścieżka statku kosmicznego takiego jak Pioneer 10 odchyliła się tylko o około 5 stóp (1.6 metra) z powodu wpływu ciemnej materii. „Oni czują efekt ciemnej materii, ale jest ona tak mała, że nie możemy jej zmierzyć” – powiedział Green.
Gdzie przejmuje moc galaktyczna?
W pewnej odległości od Słońca siła galaktyczna staje się silniejsza niż przyciąganie Słońca, które składa się z normalnej materii. Belbruno i Green obliczyli, że to przejście zachodzi w odległości około 30,000 30,000 jednostek astronomicznych, czyli 100,000 XNUMX razy większej od odległości Ziemi od Słońca. To daleko poza zasięgiem Plutona, ale wciąż wewnątrz Obłoku Oorta, roju milionów komet, który otacza Układ Słoneczny i rozciąga się na XNUMX XNUMX jednostek astronomicznych.
Oznacza to, że grawitacja ciemnej materii mogła odgrywać rolę w trajektorii obiektów takich jak 'Oumuamua, kometa lub asteroida w kształcie cygara, która przybyła z innego układu gwiezdnego i przeszła przez wewnętrzny Układ Słoneczny w 2017 roku. Jej niezwykle dużą prędkość można wyjaśnić autorzy twierdzą, że grawitacja ciemnej materii popychała ją przez miliony lat.
Jeśli w zewnętrznych częściach Układu Słonecznego znajduje się gigantyczna planeta, hipotetyczny obiekt zwany Planeta 9 lub Planeta X czego naukowcy poszukiwali w ostatnich latach, ciemna materia wpłynęłaby również na jej orbitę. Jeśli ta planeta istnieje, ciemna materia może nawet odepchnąć ją z obszaru, na którym naukowcy obecnie jej szukają, piszą Green i Belbruno. Ciemna materia mogła również spowodować, że niektóre komety Obłoku Oorta całkowicie wymknęły się z orbity Słońca.
Czy można zmierzyć grawitację ciemnej materii?
Aby zmierzyć wpływ ciemnej materii w Układzie Słonecznym, statek kosmiczny niekoniecznie musiałby podróżować tak daleko. W odległości 100 jednostek astronomicznych statek kosmiczny z odpowiednim eksperymentem może pomóc astronomom bezpośrednio zmierzyć wpływ ciemnej materii, powiedzieli Green i Belbruno.
Konkretnie, statek kosmiczny wyposażony w energię radioizotopową, technologię, która pozwoliła Pioneerowi 10 i 11, Voyagerom i New Horizon latać bardzo daleko od Słońca, może być w stanie dokonać tego pomiaru. Taki statek kosmiczny mógłby unieść odbijającą kulę i zrzucić ją na odpowiednią odległość. Kula odczuwałaby tylko siły galaktyczne, podczas gdy statek kosmiczny, oprócz sił galaktycznych, doświadczyłby siły termicznej z rozpadającego się pierwiastka radioaktywnego w swoim systemie energetycznym. Odejmując siłę termiczną, naukowcy mogli następnie przyjrzeć się, jak siła galaktyczna wiąże się z odchyleniami odpowiednich trajektorii kuli i statku kosmicznego. Odchylenia te byłyby mierzone laserem, gdy oba obiekty lecą równolegle do siebie.
Jedną z możliwości takiego eksperymentu jest proponowana koncepcja misji o nazwie Interstellar Probe, której celem jest podróż do około 500 jednostek astronomicznych od Słońca w celu zbadania tego niezbadanego środowiska.
Pokazano dwa widoki z Hubble'a masywnej gromady galaktyk Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Po lewej stronie jest widok w świetle widzialnym z dziwnie wyglądającymi niebieskimi łukami pojawiającymi się wśród żółtawych galaktyk. Są to powiększone i zniekształcone obrazy galaktyk znajdujących się daleko za gromadą. Ich światło jest zakrzywiane i wzmacniane przez ogromną grawitację gromady w procesie zwanym soczewkowaniem grawitacyjnym. Po prawej stronie dodano niebieskie cieniowanie, które wskazuje położenie niewidzialnej materii zwanej ciemną materią, która jest matematycznie wymagana do wyjaśnienia natury i umiejscowienia widzianych galaktyk soczewkowanych grawitacyjnie. Źródło: NASA, ESA, MJ Jee i H. Ford (Johns Hopkins University)
Więcej o ciemnej materii
Ciemna materia jako ukryta masa w galaktykach została po raz pierwszy zaproponowana w latach 1930. XX wieku przez Fritza Zwicky'ego. Ale pomysł pozostawał kontrowersyjny aż do lat 1960. i 1970., kiedy Vera C. Rubin i współpracownicy potwierdzili, że ruchy gwiazd wokół ich centrów galaktycznych nie byłyby zgodne z prawami fizyki, gdyby tylko w grę wchodziła normalna materia. Tylko gigantyczne ukryte źródło masy może wyjaśnić, dlaczego gwiazdy na obrzeżach galaktyk spiralnych, takich jak nasza, poruszają się tak szybko, jak one.
Dzisiaj natura ciemnej materii jest jedną z największych zagadek w całej astrofizyce. Potężne obserwatoria, takie jak Kosmiczny teleskop Hubble a obserwatorium rentgenowskie Chandra pomogło naukowcom zrozumieć wpływ i rozkład ciemnej materii w całym wszechświecie. Hubble zbadał wiele galaktyk, których ciemna materia przyczynia się do efektu zwanego „soczewkowanie”, gdzie grawitacja zagina samą przestrzeń i powiększa obrazy bardziej odległych galaktyk.
Astronomowie dowiedzą się więcej o ciemnej materii w kosmosie dzięki najnowszemu zestawowi najnowocześniejszych teleskopów. NASA Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, który wystartował 25 grudnia 2021 r., przyczyni się do naszego zrozumienia ciemnej materii, wykonując zdjęcia i inne dane galaktyk oraz obserwując ich efekty soczewkowania. Nancy Grace Roman Space Telescope, który ma zostać wystrzelony w połowie lat 2020. XX wieku, przeprowadzi przeglądy ponad miliarda galaktyk, aby przyjrzeć się wpływowi ciemnej materii na ich kształty i rozkłady.
Zbliżająca się misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, która ma wkład NASA, będzie również wycelowana w ciemną materię i ciemną energię, cofając się w czasie o około 10 miliardów lat do okresu, w którym ciemna energia zaczęła przyspieszać ekspansję wszechświata. A obserwatorium Vera C. Rubin, współpraca National Science Foundation, Department of Energy i innych, które jest budowane w Chile, doda cenne dane do tej zagadki prawdziwej istoty ciemnej materii.
Ale te potężne narzędzia zostały zaprojektowane do poszukiwania silnych efektów ciemnej materii na dużych odległościach i znacznie dalej niż w naszym Układzie Słonecznym, gdzie wpływ ciemnej materii jest znacznie słabszy.
„Gdybyś mógł wysłać tam statek kosmiczny, aby go wykryć, byłoby to ogromne odkrycie” – powiedział Belbruno.
Odniesienie: „Opuszczając Układ Słoneczny: ciemna materia robi różnicę” Edwarda Belbruno i Jamesa Greena, 4 stycznia 2022 r., Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stab3781
