Відображення цього художника показує вид нашої власної Галактики Чумацький Шлях і її центральну смугу, якою вона може здатися, якщо дивитися зверху. Авторство і права: NASA/JPL-Caltech/R. Пошкодження (SSC)
Як можна виміряти темну матерію в Сонячній системі
Картинки з Чумацький шлях показують мільярди зірок, розташованих у вигляді спіралі, що випромінює від центру, з освітленим газом між ними. Але наші очі можуть лише побачити поверхню того, що тримає нашу галактику разом. Близько 95 відсотків маси нашої галактики невидимі і не взаємодіють зі світлом. Він виготовлений із загадкової речовини під назвою темна матерія, яку ніколи не вимірювали безпосередньо.
Тепер нове дослідження розраховує, як гравітація темної матерії впливає на об’єкти нашої Сонячної системи, включаючи космічні кораблі та далекі комети. Він також пропонує спосіб, за допомогою якого вплив темної матерії можна було б безпосередньо спостерігати за допомогою майбутнього експерименту. Стаття опублікована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Ми прогнозуємо, що якщо ви заберетеся досить далеко в Сонячній системі, у вас буде можливість почати вимірювати силу темної матерії», — сказав Джим Грін, співавтор дослідження та радник NASAРосійський кабінет головного наук. «Це перша ідея, як це зробити і де ми це будемо робити».
Темна матерія в нашому дворі
Тут, на Землі, гравітація нашої планети не дає нам злетіти з крісел, а гравітація Сонця підтримує нашу планету на орбіті за 365-денним графіком. Але чим далі від Сонця летить космічний корабель, тим менше він відчуває гравітацію Сонця, і тим більше він відчуває інше джерело тяжіння: речовину з решти галактики, яка переважно є темною матерією. Маса 100 мільярдів зірок нашої галактики незначна в порівнянні з оцінками вмісту темної матерії в Чумацького Шляху.
Щоб зрозуміти вплив темної матерії в Сонячній системі, провідний автор дослідження Едвард Бельбруно розрахував «галактичну силу», загальну силу тяжіння нормальної матерії в поєднанні з темною матерією всієї галактики. Він виявив, що в Сонячній системі близько 45 відсотків цієї сили походить від темної матерії, а 55 відсотків — від нормальної, так званої «баріонної матерії». Це говорить про розподіл маси темної і нормальної матерії в Сонячній системі приблизно наполовину.
«Я був трохи здивований відносно невеликим внеском галактичної сили через темну матерію, що відчувається в нашій Сонячній системі, порівняно з силою, зумовленою звичайною матерією», — сказав Бельбруно, математик і астрофізик із Прінстонський університет та Університет Єшиви. «Це пояснюється тим, що більшість темної матерії знаходиться у зовнішніх частинах нашої галактики, далеко від нашої Сонячної системи».
Велика область, яка називається «ореолом» темної матерії, оточує Чумацький Шлях і являє собою найбільшу концентрацію темної матерії галактики. У ореолі майже немає нормальної матерії. Якби Сонячна система була розташована на більшій відстані від центру галактики, вона відчула б вплив більшої частки темної матерії в галактичній силі, оскільки вона була б ближче до ореолу темної матерії, вважають автори.
За концепцією цього художника, космічний корабель NASA Voyager 1 має вид на Сонячну систему з висоти пташиного польоту. Кола зображують орбіти основних зовнішніх планет: Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна. Запущений у 1977 році «Вояджер-1» відвідав планети Юпітер і Сатурн. Зараз космічний корабель знаходиться на відстані понад 14 мільярдів миль від Землі, що робить його найвіддаленішим об’єктом, створеним людиною, коли-небудь побудованим. Насправді «Вояджер-1» зараз масштабує міжзоряний простір, область між зірками, заповнену газом, пилом і матеріалом, переробленим із вмираючого зірок. Авторство зображення: NASA, ESA та Г. Бекон (STScI)
Як темна матерія може впливати на космічний корабель
Згідно з новим дослідженням, Грін і Бельбруно передбачають, що гравітація темної матерії дуже слабо взаємодіє з усіма космічними кораблями, які НАСА направило на шляхи, які ведуть за межі Сонячної системи.
"Якщо космічні кораблі рухаються через темну матерію досить довго, їх траєкторії змінюються, і це важливо враховувати при плануванні місій для певних майбутніх місій", - сказав Бельбруно.
Такі космічні кораблі можуть включати зняті з експлуатації зонди Pioneer 10 і 11, які були запущені в 1972 і 1973 роках відповідно; зонди «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які досліджували понад 40 років і увійшли в міжзоряний простір; і космічний корабель New Horizons, який пролетів повз Плутон і Аррокот в поясі Койпера.
Але це невеликий ефект. Пройшовши мільярди миль, шлях космічного корабля, такого як Pioneer 10, відхилився б лише на 5 футів (1.6 метра) через вплив темної матерії. «Вони дійсно відчувають вплив темної матерії, але вона настільки мала, що ми не можемо її виміряти», – сказав Грін.
Де бере участь галактична сила?
На певній відстані від Сонця галактична сила стає потужнішою, ніж притягання Сонця, яке складається із звичайної матерії. Бельбруно і Грін підрахували, що цей перехід відбувається приблизно на 30,000 30,000 астрономічних одиниць, або в 100,000 XNUMX разів більше відстані від Землі до Сонця. Це далеко за межами відстані від Плутона, але все ще всередині Хмари Оорта, зграї мільйонів комет, яка оточує Сонячну систему і простягається до XNUMX XNUMX астрономічних одиниць.
Це означає, що гравітація темної матерії могла відігравати певну роль у траєкторії таких об’єктів, як «Оумуамуа, сигароподібна комета чи астероїд, які вийшли з іншої зоряної системи та пройшли через внутрішню Сонячну систему у 2017 році. Його надзвичайно швидку швидкість можна пояснити. За словами авторів, гравітація темної матерії тисне на неї протягом мільйонів років.
Якщо у зовнішніх межах Сонячної системи є планета-гігант, гіпотетичний об’єкт називається Планета 9 або Планета X що вчені шукали в останні роки, темна матерія також вплине на її орбіту. Якщо ця планета існує, темна матерія, можливо, навіть могла б відштовхнути її від області, де її зараз шукають вчені, пишуть Грін і Бельбруно. Темна матерія, можливо, також призвела до того, що деякі комети Хмари Оорта взагалі зникли з орбіти Сонця.
Чи можна виміряти гравітацію темної матерії?
Щоб виміряти вплив темної матерії в Сонячній системі, космічний корабель не обов’язково повинен був подорожувати так далеко. На відстані 100 астрономічних одиниць космічний корабель з правильним експериментом може допомогти астрономам безпосередньо виміряти вплив темної матерії, сказали Грін і Бельбруно.
Зокрема, космічний корабель, оснащений радіоізотопною енергією, технологією, яка дозволила Pioneer 10 і 11, Voyagers і New Horizon пролетіти дуже далеко від Сонця, можливо, зможе зробити це вимірювання. Такий космічний корабель міг нести світловідбиваючу кулю і скинути її на відповідну відстань. Кулька відчуватиме лише галактичні сили, тоді як космічний корабель, на додаток до галактичних сил, відчуватиме теплову силу від розпадучого радіоактивного елемента в його системі живлення. Віднімаючи теплову силу, дослідники могли б подивитися, як галактична сила пов’язана з відхиленнями у відповідних траєкторіях кулі та космічного корабля. Ці відхилення будуть виміряні за допомогою лазера, коли два об’єкти літають паралельно один одному.
Запропонована концепція місії під назвою Interstellar Probe, яка має на меті подорожувати приблизно до 500 астрономічних одиниць від Сонця, щоб дослідити це незвідане середовище, є однією з можливостей для такого експерименту.
Показано два види з Хаббла на масивне скупчення галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Ліворуч – вид у видимому світлі з дивними синіми дугами, що з’являються серед жовтуватих галактик. Це збільшені та спотворені зображення галактик, розташованих далеко позаду скупчення. Їх світло згинається та посилюється під впливом величезної гравітації скупчення в процесі, який називається гравітаційним лінзуванням. Праворуч додано синю штриховку, щоб вказати розташування невидимого матеріалу, який називається темною матерією, який математично необхідний для пояснення природи та розміщення галактик із гравітаційною лінзою, які можна побачити. Авторство зображення: NASA, ESA, MJ Jee і H. Ford (Університет Джона Хопкінса)
Детальніше про темну матерію
Темну матерію як приховану масу в галактиках вперше запропонував у 1930-х роках Фріц Цвікі. Але ця ідея залишалася суперечливою до 1960-х і 1970-х років, коли Віра С. Рубін та його колеги підтвердили, що рух зірок навколо їхніх галактичних центрів не відповідатиме законам фізики, якби була задіяна лише звичайна матерія. Тільки гігантське приховане джерело маси може пояснити, чому зірки на околицях таких спіральних галактик, як наша, рухаються так швидко, як вони.
Сьогодні природа темної матерії є однією з найбільших загадок у всій астрофізиці. Потужні обсерваторії на кшталт Космічний телескоп Хаббла і рентгенівська обсерваторія Чандра допомогли вченим зрозуміти вплив і розподіл темної матерії у Всесвіті в цілому. Хаббл досліджував багато галактик, темна матерія яких сприяє ефекту, який називається «лінзування», де гравітація згинає сам простір і збільшує зображення більш віддалених галактик.
Астрономи дізнаються більше про темну матерію у космосі за допомогою новітнього набору найсучасніших телескопів. НАСА Джеймс Вебб космічний телескоп, який був запущений 25 грудня 2021 року, сприятиме нашому розумінню темної матерії, роблячи зображення та інші дані галактик і спостерігаючи їх ефекти лінзи. Романський космічний телескоп Ненсі Грейс, який планується запустити в середині 2020-х років, проведе дослідження понад мільярда галактик, щоб з’ясувати вплив темної матерії на їх форми та розподіл.
Майбутня місія Європейського космічного агентства «Евклід», у якій є внесок NASA, також буде спрямована на темну матерію та темну енергію, оглядаючись у часі приблизно на 10 мільярдів років до періоду, коли темна енергія почала прискорювати розширення Всесвіту. А обсерваторія Віри К. Рубін, створена разом із Національним науковим фондом, Департаментом енергетики та іншими, яка будується в Чилі, додасть цінні дані до цієї загадки справжньої сутності темної матерії.
Але ці потужні інструменти призначені для пошуку сильних впливів темної матерії на великих відстанях і набагато далі, ніж у нашій Сонячній системі, де вплив темної матерії набагато слабкіше.
«Якби ви могли відправити туди космічний корабель, щоб його виявити, це було б величезне відкриття», — сказав Бельбруно.
Довідка: «При виході з Сонячної системи: темна матерія змінює» Едвард Бельбруно та Джеймс Грін, 4 січня 2022 р., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab3781
