Как темную материю можно измерить в Солнечной системе?

На изображениях Млечного Пути видны миллиарды звезд, расположенных в виде расходящейся от центра галактики спирали с освещенным газом между ними. Но наши глаза могут увидеть только поверхность того, что удерживает нашу галактику вместе. Около 95% массы нашей галактики невидимы и не взаимодействуют со светом. Она состоит из загадочной субстанции под названием темная материя, которую никогда не измеряли напрямую.

Об этом рассказывают в NASA, передают OstanniPodii.com

Теперь в новом исследовании рассчитано, как гравитация темной материи влияет на объекты нашей Солнечной системы, включая космические аппараты и далекие кометы. В нем также предложен способ, с помощью которого влияние темной материи можно непосредственно наблюдать в эксперименте в будущем. Результаты исследования опубликованы в журнале Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества.

«Мы прогнозируем, что если пробраться достаточно далеко в Солнечной системе, у вас будет возможность начать измерять силу темной материи», - сказал Джим Грин, соавтор исследования и советник Офиса главного ученого NASA. «Это первая идея о том, как это сделать и где это можно сделать».

Темная материя на нашем заднем дворе

Здесь, на Земле, гравитация нашей планеты не дает нам взлететь с кресел, а гравитация Солнца поддерживает нашу планету на орбите по 365-дневному графику. Но чем дальше от Солнца летит космический аппарат, тем меньше он чувствует гравитацию Солнца, и тем более он чувствует другой источник тяготения: материю остальной галактики, которая является преимущественно темной материей. Масса 100 миллиардов звезд нашей галактики мизерна по сравнению с оценками содержания темной материи в Млечном Пути.

Чтобы понять влияние темной материи в Солнечной системе, ведущий автор исследования Эдвард Бельбруно рассчитал галактическую силу, общую гравитационную силу нормальной материи в сочетании с темной материей всей галактики. Он обнаружил, что в Солнечной системе около 45 процентов этой силы происходит от темной материи, а 55 процентов от нормальной, так называемой "барионной материи". Это говорит о том, что масса темной и нормальной материи в Солнечной системе разделена примерно поровну.

«Я был несколько удивлен относительно небольшим вкладом галактической силы, обусловленной темной материей, ощущаемой в нашей Солнечной системе, по сравнению с силой, обусловленной обычной материей», — сказал Бельбруно, математик и астрофизик из Принстонского университета и Университета Ешивы. «Это объясняется тем, что большинство темной материи находится во внешних частях нашей галактики, вдали от нашей Солнечной системы».

Большая область, которая называется "ореолом" или "гало" темной материи, окружает Млечный Путь и представляет наибольшую концентрацию темной материи галактики. В ореоле почти нет нормальной материи. Если бы Солнечная система была расположена на большем расстоянии от центра галактики, она бы почувствовала влияние большей части темной материи в галактической силе, поскольку она бы находилась ближе к гало темной материи, считают авторы.

Как темная материя может влиять на космические аппараты

Грин и Бельбруно предполагают, что гравитация темной материи незначительно взаимодействует со всеми космическими аппаратами, которые NASA направило на пути, ведущие за пределы Солнечной системы, говорится в новом исследовании.

«Если космические аппараты движутся по темной материи довольно долго, их траектории меняются, и это важно учитывать при планировании будущих миссий», - сказал Бельбруно.

К таким космическим аппаратам могут относиться снятые с эксплуатации зонды Пионер-10 и 11, запущенные в 1972 и 1973 годах соответственно; зонды Вояджер-1 и Вояджер-2, которые ведут исследования уже более 40 лет и вошли в межзвездное пространство; и космический аппарат "Новые горизонты", пролетевший мимо Плутона и Аррокота в поясе Койпера.

Но здесь ничтожное влияние. Пройдя миллиарды километров, путь космического аппарата, такого как Пионер-10, отклонился бы всего на 1,6 метра благодаря влиянию темной материи. «Они действительно испытывают влияние темной материи, но оно настолько мало, что мы не можем его измерить», – сказал Грин.

Где галактическая сила преобладает?

На определенном расстоянии от Солнца галактическая сила становится мощнее притяжения Солнца, состоящего из обычной материи. Бельбруно и Грин подсчитали, что этот переход происходит на расстоянии примерно 30 000 астрономических единиц или в 30 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Это гораздо дальше расстояния до Плутона, но все еще внутри облака Оорта — стаи из миллионов комет, окружающей Солнечную систему и простирающуюся на расстояние до 100 000 астрономических единиц.

Это значит, что гравитация темной материи могла сыграть определенную роль в траектории таких объектов, как "Оумуамуа", сигарообразной кометы или астероида, который вышел из другой звездной системы и прошел через внутреннюю Солнечную систему в 2017 году. Его чрезвычайно большую скорость можно было бы объяснить гравитацией темной материи, давившей на него в течение миллионов лет, говорят авторы.

Если в окрестностях Солнечной системы существует планета-гигант, гипотетический объект под названием Планета 9 или Планета X, который ученые ищут в последние годы, темная материя могла бы также повлиять на ее орбиту. Если эта планета существует, то темная материя, возможно, даже могла бы оттолкнуть ее от области, где ее сейчас ищут ученые, пишут Грин и Бельбруно. Темная материя возможно привела к тому, что некоторые кометы Облака Оорта вообще покинули орбиту Солнца.

Можно ли измерить гравитацию черной материи?

Чтобы измерить влияние темной материи в Солнечной системе, космический аппарат не обязательно должен лететь так далеко. На расстоянии 100 астрономических единиц космический аппарат с правильно поставленным экспериментом может помочь астрономам напрямую измерить влияние темной материи, утверждают Грин и Бельбруно.

А именно, космический аппарат, оснащенный радиоизотопной энергией — технологией, позволившей Пионерам 10 и 11, Вояджерам и Новым Горизонтам залететь очень далеко от Солнца, — возможно, будет способен провести такое измерение. Такой космический аппарат мог бы нести светоотражающий шар и сбросить его на соответствующем расстоянии. Шар будет ощущать только галактические силы, тогда как космический аппарат, в дополнение к галактическим силам, будет ощущать тепловую силу от распадающегося в его системе питания радиоактивного элемента. Вычитая тепловую силу, исследователи могли бы посмотреть, как галактическая сила связана с отклонениями в траекториях шара и космического аппарата. Эти отклонения будут измерены с помощью лазера, когда два объекта летят параллельно друг другу.

Предложенная концепция миссии под названием "Межзвездный зонд" (Interstellar Probe), цель которой совершить путешествие на расстояние примерно до 500 астрономических единиц от Солнца для исследования этой неизведанной среды, является одной из возможностей для такого эксперимента.

Показаны два вида от Хаббла на массивное скопление галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Слева – в видимом свете со странными синими дугами, появляющимися среди желтоватых галактик. Это увеличенные и обезображенные изображения галактик, расположенных далеко позади скопления. Их свет изгибается и усиливается под влиянием огромной гравитации скопления в процессе, называемом гравитационным линзированием. Справа добавлена синяя штриховка, чтобы указать расположение невидимого материала, назывого темной материей, который математически необходим для объяснения природы и размещения видимых гравитационно линзированных галактик. Credits: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Подробнее о темной материи

Темную материю как объяснение скрытой массы в галактиках впервые предложил Фриц Цвики в 1930-х годах. Но эта идея оставалась противоречивой до 1960-х и 1970-х годов, когда Вера С. Рубин и ее коллеги подтвердили, что движение звезд вокруг их галактических центров не соответствовало бы законам физики, если бы была задействована только обычная материя. Только гигантский скрытый источник массы может объяснить, почему звезды в окрестностях таких спиральных галактик, как наша, двигаются так быстро, как они это делают.

Сегодня природа темной материи является одной из самых больших загадок во всей астрофизике. Мощные обсерватории, такие как космический телескоп Хаббл и рентгеновская обсерватория Чандра, помогли ученым понять влияние и разделение темной материи во Вселенной в целом. Хаббл исследовал многие галактики, темная материя которых способствует эффекту, называемом “линзированием”, когда гравитация изгибает само пространство и увеличивает изображение более отдаленных галактик.

Астрономы узнают больше о темной материи в космосе с помощью нового набора самых современных телескопов. Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный 25 декабря 2021 года, будет способствовать нашему пониманию темной материи, когда будет делать изображения и собирать другие данные о галактиках и наблюдая за их эффектами линзирования. Космический телескоп Нэнси Грейс Роман, который планируется запустить в середине 2020-х годов, проведет исследования более миллиарда галактик, чтобы выяснить влияние темной материи на их формы и распределение.

Будущая миссия Эвклид также будет направлена на темную материю и темную энергию, оглядываясь во времени примерно на 10 миллиардов лет до периода, когда темная энергия начала ускорять расширение Вселенной. А строящаяся сейчас обсерватория Веры К. Рубин добавит ценные данные к этой загадке подлинной сущности темной материи.

Но эти мощные инструменты предназначены для поиска сильного воздействия темной материи на гораздо больших расстояниях и гораздо дальше, чем в нашей Солнечной системе, где влияние темной материи гораздо слабее.

«Если бы вы могли отправить туда космический аппарат, чтобы ее обнаружить, это было бы огромным открытием», - сказал Бельбруно.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.