Як темну матерію можна виміряти у Сонячній системі?

На зображеннях Чумацького Шляху видніються мільярди зірок, розташованих у вигляді спіралі, що розходиться від центру галактики, з освітленим газом між ними. Але наші очі можуть побачити лише поверхню того, що утримує нашу галактику разом. Близько 95% маси нашої галактики невидимі та не взаємодіють зі світлом. Вона складається із загадкової субстанції під назвою темна матерія, яку ніколи не вимірювали безпосередньо.

Про це розповідають в NASA, передають OstanniPodii.com

Тепер, у новому дослідження розраховано, як гравітація темної матерії впливає на об’єкти нашої Сонячної системи, включаючи космічні апарати та далекі комети. У ньому також запропоновано спосіб, за допомогою якого вплив темної матерії можна було б безпосередньо спостерігати в експерименті у майбутньому. Результати дослідження опубліковані в журналі “Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства”.

«Ми прогнозуємо, що якщо пробратися достатньо далеко у Сонячній системі, у вас буде можливість почати вимірювати силу темної матерії», — сказав Джим Грін, співавтор дослідження та радник Офісу головного науковця NASA. «Це перша ідея про те, як це зробити та де це можна зробити».

Темна матерія на нашому задньому 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 апарат, тим менше він відчуває гравітацію Сонця, і тим більше він відчуває інше джерело тяжіння: матерію решти галактики, яка переважно є темною матерією. Маса 100 мільярдів зірок нашої галактики є мізерною у порівнянні з оцінками вмісту темної матерії в Чумацькому Шляху.

Щоб зрозуміти вплив темної матерії в Сонячній системі, провідний автор дослідження Едвард Бельбруно розрахував “галактичну силу”, загальну гравітаційну силу 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 те, що маса темної та нормальної матерії в Сонячній системі поділені приблизно порівну.

«Я був дещо здивований відносно невеликим внеском галактичної сили, зумовленої темною матерією, що відчувається в нашій Сонячній системі, у порівнянні з силою, зумовленою звичайною матерією», — сказав Бельбруно, математик та астрофізик з Принстонського університету та Університету Єшиви. «Це пояснюється тим, що більшість темної матерії знаходиться у зовнішніх частинах нашої галактики, далеко від нашої Сонячної системи».

Велика область, яка називається “ореолом” або “гало” темної матерії, оточує Чумацький Шлях та 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 б відчула вплив більшої частки темної матерії в галактичній силі, оскільки вона б знаходилася ближче до гало темної матерії, вважають автори.

Як темна матерія може впливати на космічні апарати

Грін і Бельбруно передбачають, що гравітація темної матерії незначно взаємодіє з усіма космічними апаратами, які NASA направило на шляхи, що ведуть за межі Сонячної системи, говориться у новому дослідженні.

«Якщо космічні апарати рухаються через темну матерію досить довго, їх траєкторії змінюються, і це важливо враховувати при плануванні певних майбутніх місій», - сказав Бельбруно.

До таких космічних апаратів можуть відноситися зняті з експлуатації зонди Піонер-10 і 11, які були запущені у 1972 та 1973 роках відповідно; зонди “Вояджер-1” і “Вояджер-2”, які ведуть дослідження вже понад 40 років та увійшли в міжзоряний простір; і космічний апарат “Нові горизонти”, який пролетів біля Плутона й Аррокота в поясі Койпера.

Але тут мізерний вплив. Пройшовши мільярди кілометрів, шлях космічного апарату, такого як “Піонер-10”, відхилився б лише на 1,6 метра завдяки впливу темної матерії. «Вони дійсно відчувають вплив темної матерії, але він настільки малий, що ми не можемо його виміряти», – сказав Грін.

Де галактична сила переважає?

На певній відстані від Сонця галактична сила стає потужнішою, ніж притягання Сонця, яке складається зі звичайної матерії. Бельбруно та Грін підрахували, що цей перехід відбувається на відстані приблизно 30 000 астрономічних одиниць, або в 30 000 разів більше відстані від Землі до Сонця. Це набагато далі відстані до Плутона, але все ще всередині Хмари Оорта — зграї з мільйонів комет, яка оточує Сонячну систему та простягається до 100 000 астрономічних одиниць.

Це означає, що гравітація темної матерії могла зіграти певну роль у траєкторії таких об’єктів, як “Оумуамуа” сигароподібної комети чи астероїда, який вийшов з іншої зоряної системи та пройшов через внутрішню Сонячну систему у 2017 році. Його надзвичайно велику швидкість можна було б пояснити гравітацією темної матерії, яка тиснула на нього протягом мільйонів років, кажуть автори.

Якщо в околицях Сонячної системи існує планета-гігант, гіпотетичний об’єкт під назвою Планета 9 або Планета X, який вчені шукають останніми роками, темна матерія також могла б вплинути на її орбіту. Якщо ця планета існує, то 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 залишили орбіту Сонця.

Чи можна виміряти гравітацію темної матерії?

Щоб виміряти вплив темної матерії в Сонячній системі, космічний апарат не обов’язково має летіти так далеко. На відстані 100 астрономічних одиниць космічний апарат з правильно поставленим експериментом може допомогти астрономам безпосередньо виміряти вплив темної матерії, стверджують Грін і Бельбруно.

Зокрема, космічний апарат, оснащений радіоізотопною енергією — технологією, яка дозволила Піонерам 10 і 11, Вояджерам і Новим Горизонтам залетіти дуже далеко від Сонця, — можливо буде здатний провести таке вимірювання. Такий космічний апарат міг би нести світловідбивну кулю та скинути її на відповідній відстані. Куля відчуватиме лише галактичні сили, тоді як космічний апарат, на додаток до галактичних сил, відчуватиме теплову силу від радіоактивного елемента, що розпадається в його системі живлення. Віднімаючи теплову силу, дослідники могли б подивитися, як галактична сила пов’язана з відхиленнями у відповідних траєкторіях кулі та космічного апарату. Ці відхилення будуть виміряні за допомогою лазера, коли два об’єкти летять паралельно один одному.

Запропонована концепція місії під назвою “Міжзоряний зонд” (Interstellar Probe), мета якої здійснити подорож на відстань приблизно до 500 астрономічних одиниць від Сонця для дослідження цього незвіданого середовища, є однією з можливостей для такого експерименту.

Показано два види з Хаббла на масивне скупчення галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Ліворуч – 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 синє штрихування, щоб вказати розташування невидимого матеріалу, який називається темною матерією, який математично необхідний для пояснення природи та розміщення видимих гравітаційно лінзованих галактик. Credits: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Детальніше про темну матерію

Темну матерію у якості пояснення прихованої маси в галактиках вперше запропонував Фріц Цвікі у 1930-х роках. Але ця ідея залишалася суперечливою до 1960-х та 1970-х років, коли Віра С. Рубін та її колеги підтвердили, що рух зірок навколо їхніх галактичних центрів не відповідали б законам фізики, якби була залучена лише звичайна матерія. Тільки гігантське приховане джерело маси може пояснити, чому зорі на околицях таких спіральних галактик, як наша, рухаються так швидко, як вони це роблять.

Сьогодні природа темної матерії є однією з найбільших загадок у всій астрофізиці. Потужні обсерваторії, такі як космічний телескоп Хаббл 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 “лінзуванням”, коли гравітація згинає сам простір і збільшує зображення більш віддалених галактик.

Астрономи дізнаються більше про темну матерію у космосі за допомогою новітнього набору найсучасніших телескопів. Космічний телескоп Джеймса Вебба, який був запущений 25 грудня 2021 року, сприятиме нашому розумінню темної матерії, коли робитиме зображення та збиратиме інші дані про галактики й спостерігаючи за їх ефектами лінзування. Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман, який планується запустити у середині 2020-х років, проведе дослідження понад мільярда галактик, щоб з’ясувати вплив темної матерії на їх форми та розподіл.

Майбутня місія “Евклід” 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, яка зараз будується, додасть цінні дані до цієї загадки справжньої сутності темної матерії.

Але ці потужні інструменти призначені для пошуку сильного впливу темної матерії на великих відстанях і набагато далі, ніж у нашій Сонячній системі, де вплив темної матерії набагато слабкіший.

«Якби ви могли відправити туди космічний апарат, щоб її виявити, це було б величезним відкриттям», — сказав Бельбруно.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.