Hvordan mørkt stof kunne måles i solsystemet

Billeder af Mælkevejen viser milliarder af stjerner arrangeret i et spiralmønster, der stråler ud fra midten, med oplyst gas imellem. Men vores øjne kan kun skimte overfladen af ​​det, der holder vores galakse sammen. Omkring 95 procent af massen af ​​vores galakse er usynlig og interagerer ikke med lys. Det er lavet af et mystisk stof kaldet mørkt stof, som aldrig er blevet målt direkte.

Nu beregner en ny undersøgelse, hvordan mørkt stofs tyngdekraft påvirker objekter i vores solsystem, inklusive rumfartøjer og fjerne kometer. Det foreslår også en måde, hvorpå mørkt stofs indflydelse kan observeres direkte med et fremtidigt eksperiment. Artiklen er publiceret i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

"Vi forudser, at hvis du kommer langt nok ud i solsystemet, har du faktisk muligheden for at begynde at måle den mørke stofs kraft," siger Jim Green, medforfatter og rådgiver for NASA's kontor for chefforskeren. "Dette er den første idé om, hvordan man gør det, og hvor vi ville gøre det."

Mørkt stof i vores baghave

Her på Jorden forhindrer vores planets tyngdekraft os i at flyve ud af vores stole, og Solens tyngdekraft holder vores planet i kredsløb efter en 365-dages tidsplan. Men jo længere fra Solen et rumfartøj flyver, jo mindre mærker det Solens tyngdekraft, og jo mere føler det en anden tyngdekraftskilde:stoffets kilde fra resten af ​​galaksen, som for det meste er mørkt stof. Massen af ​​vores galakse 100 milliarder stjerner er minimal sammenlignet med skøn over Mælkevejens indhold af mørkt stof.

For at forstå indflydelsen af ​​mørkt stof i solsystemet, beregnede hovedstudieforfatter Edward Belbruno den "galaktiske kraft", den overordnede gravitationskraft af normalt stof kombineret med mørkt stof fra hele galaksen. Han fandt ud af, at i solsystemet er omkring 45 procent af denne kraft fra mørkt stof og 55 procent fra normalt, såkaldt "baryonisk stof". Dette antyder en groft halvt og halvt opdeling mellem massen af ​​mørkt stof og normalt stof i solsystemet.

"Jeg var en smule overrasket over det relativt lille bidrag fra den galaktiske kraft på grund af mørkt stof, der mærkes i vores solsystem sammenlignet med kraften på grund af det normale stof," sagde Belbruno, matematiker og astrofysiker ved Princeton University og Yeshiva University. "Dette forklares ved, at det meste af mørkt stof er i de ydre dele af vores galakse, langt fra vores solsystem."

Et stort område kaldet en "halo" af mørkt stof omkranser Mælkevejen og repræsenterer den største koncentration af det mørke stof i galaksen. Der er lidt eller intet normalt stof i glorien. Hvis solsystemet var placeret i en større afstand fra galaksens centrum, ville det mærke virkningerne af en større andel af mørkt stof i den galaktiske kraft, fordi det ville være tættere på den mørke stof-halo, sagde forfatterne.

Hvordan mørkt stof kan påvirke rumfartøjer

Green og Belbruno forudsiger, at mørkt stofs tyngdekraft i nogen grad interagerer med alle de rumfartøjer, som NASA har sendt på stier, der fører ud af solsystemet, ifølge den nye undersøgelse.

"Hvis rumfartøjer bevæger sig gennem det mørke stof længe nok, ændres deres baner, og dette er vigtigt at tage med i overvejelserne for missionsplanlægning for visse fremtidige missioner," sagde Belbruno.

Sådanne rumfartøjer kan omfatte de pensionerede Pioneer 10 og 11 sonder, der blev opsendt i henholdsvis 1972 og 1973; Voyager 1- og 2-sonderne, der har udforsket i mere end 40 år og er kommet ind i det interstellare rum; og New Horizons-rumfartøjet, der er fløjet af Pluto og Arrokoth i Kuiperbæltet.

Men det er en lille effekt. Efter at have rejst milliarder af miles, ville banen for et rumfartøj som Pioneer 10 kun afvige med omkring 5 fod (1,6 meter) på grund af påvirkningen af ​​mørkt stof. "De mærker effekten af ​​mørkt stof, men det er så lille, at vi ikke kan måle det," sagde Green.

Hvor overtager den galaktiske kraft?

I en vis afstand fra Solen bliver den galaktiske kraft kraftigere end Solens træk, som er lavet af normalt stof. Belbruno og Green beregnede, at denne overgang sker ved omkring 30.000 astronomiske enheder, eller 30.000 gange afstanden fra Jorden til Solen. Det er langt ud over afstanden til Pluto, men stadig inde i Oort-skyen, en sværm af millioner af kometer, der omgiver solsystemet og strækker sig ud til 100.000 astronomiske enheder.

Dette betyder, at mørkt stofs tyngdekraft kunne have spillet en rolle i bane for objekter som "Oumuamua, den cigarformede komet eller asteroide, der kom fra et andet stjernesystem og passerede gennem det indre solsystem i 2017. Dens usædvanligt hurtige hastighed kunne forklares ved at mørkt stofs tyngdekraft har presset på det i millioner af år, siger forfatterne.

Hvis der er en kæmpe planet i solsystemets ydre rækkevidde, et hypotetisk objekt kaldet Planet 9 eller Planet X, som videnskabsmænd har ledt efter i de senere år, ville mørkt stof også påvirke dets kredsløb. Hvis denne planet eksisterer, kan mørkt stof måske endda skubbe det væk fra det område, hvor videnskabsmænd i øjeblikket leder efter det, skriver Green og Belbruno. Mørkt stof kan også have fået nogle af Oort Cloud-kometerne til at undslippe solens kredsløb helt.

Kunne mørkt stofs tyngdekraft måles?

To measure the effects of dark matter in the solar system, a spacecraft wouldn't necessarily have to travel that far. At a distance of 100 astronomical units, a spacecraft with the right experiment could help astronomers measure the influence of dark matter directly, Green and Belbruno said.

Specifically, a spacecraft equipped with radioisotope power, a technology that has allowed Pioneer 10 and 11, the Voyagers, and New Horizon to fly very far from the Sun, may be able to make this measurement. Such a spacecraft could carry a reflective ball and drop it at an appropriate distance. The ball would feel only galactic forces, while the spacecraft would experience a thermal force from the decaying radioactive element in its power system, in addition to the galactic forces. Subtracting out the thermal force, researchers could then look at how the galactic force relates to deviations in the respective trajectories of the ball and the spacecraft. Those deviations would be measured with a laser as the two objects fly parallel to one another.

A proposed mission concept called Interstellar Probe, which aims to travel to about 500 astronomical units from the Sun to explore that uncharted environment, is one possibility for such an experiment.

More about dark matter

Dark matter as a hidden mass in galaxies was first proposed in the 1930s by Fritz Zwicky. But the idea remained controversial until the 1960s and 1970s, when Vera C. Rubin and colleagues confirmed that the motions of stars around their galactic centers would not follow the laws of physics if only normal matter were involved. Only a gigantic hidden source of mass can explain why stars at the outskirts of spiral galaxies like ours move as quickly as they do.

Today, the nature of dark matter is one of the biggest mysteries in all of astrophysics. Powerful observatories like the Hubble Space Telescope and the Chandra X-Ray Observatory have helped scientists begin to understand the influence and distribution of dark matter in the universe at large. Hubble has explored many galaxies whose dark matter contributes to an effect called "lensing," where gravity bends space itself and magnifies images of more distant galaxies.

Astronomers will learn more about dark matter in the cosmos with the newest set of state-of-the-art telescopes. NASA's James Webb Space Telescope, which launched Dec. 25, 2021, will contribute to our understanding of dark matter by taking images and other data of galaxies and observing their lensing effects. NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope, set to launch in the mid-2020s, will conduct surveys of more than a billion galaxies to look at the influence of dark matter on their shapes and distributions.

The European Space Agency's forthcoming Euclid mission, which has a NASA contribution, will also target dark matter and dark energy, looking back in time about 10 billion years to a period when dark energy began hastening the universe's expansion. And the Vera C. Rubin Observatory, a collaboration of the National Science Foundation, the Department of Energy, and others, which is under construction in Chile, will add valuable data to this puzzle of dark matter's true essence.

But these powerful tools are designed to look for dark matter's strong effects across large distances, and much farther afield than in our solar system, where dark matter's influence is so much weaker.

"If you could send a spacecraft out there to detect it, that would be a huge discovery," Belbruno said.