Ученые ищут темную материю в Солнечной системе
03.02.2022 295 0
На фотографиях Млечного Пути видны миллиарды звезд, расположенные по спирали, расходящейся от центра, с освещенным газом между ними. Но наши глаза могут лишь мельком увидеть то, что скрепляет нашу галактику. Около 95 процентов массы нашей галактики невидимы и не взаимодействуют со светом. Она состоит из загадочного вещества, называемого темной материей, которое никогда не измерялось напрямую.
Теперь новое исследование вычисляет, как гравитация темной материи влияет на объекты в нашей Солнечной системе, включая космические корабли и далекие кометы. Оно также предлагает способ прямого наблюдения влияния темной материи в будущих экспериментах. Статья опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .
«Мы предсказываем, что если вы уйдете достаточно далеко в Солнечной системе, у вас действительно будет возможность начать измерение силы темной материи, — сказал Джим Грин, соавтор исследования и советник Управления главного научного сотрудника НАСА. – Это первая идея о том, как это сделать и где мы будем это делать».
"Вояджер-1" и Солнечная система с орбитами
В концепции художника космический корабль НАСА «Вояджер-1» смотрит на Солнечную систему с высоты “птичьего полета”. Круги представляют собой орбиты основных внешних планет: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Запущенный в 1977 году, «Вояджер-1» посетил Юпитер и Сатурн. Сейчас космический корабль находится на расстоянии 21 миллиард км от Земли, что делает его самым дальним и самым быстрым из когда-либо созданных человеком объектов. Фактически, «Вояджер-1» сейчас летит через межзвездное пространство, область между звездами, которая заполнена газом, пылью и материалом, переработанным из умирающих звезд.
Темная материя на заднем дворе
Здесь, на Земле, гравитация нашей планеты не дает нам взлететь со стула, а гравитация Солнца заставляет нашу планету вращаться по 365-дневному графику. Но чем дальше от Солнца летит космический корабль, тем меньше он ощущает гравитацию Солнца и тем больше он ощущает другой источник гравитации: материю из остальной части галактики, состоящую в основном из темной материи. Масса 100 миллиардов звезд нашей галактики ничтожно мала по сравнению с оценками содержания темной материи в Млечном Пути.
Чтобы понять влияние темной материи на Солнечную систему, ведущий автор исследования Эдвард Белбруно рассчитал «галактическую силу» — общую гравитационную силу обычной материи в сочетании с темной материей всей галактики. Он обнаружил, что в Солнечной системе около 45 процентов этой силы приходится на темную материю, а 55 процентов — на обычную, так называемую «барионную материю». Это предполагает примерно половинное разделение массы темной материи и обычной материи в Солнечной системе.
«Я был немного удивлен относительно небольшим вкладом галактической силы из-за темной материи, ощущаемой в нашей Солнечной системе, по сравнению с силой из-за обычной материи, — сказал Бельбруно, математик и астрофизик из Принстонского университета и Университета Йешива. – Это объясняется тем, что большая часть темной материи находится во внешних частях нашей галактики, далеко от нашей Солнечной системы».
Большая область, называемая «ореолом» темной материи, окружает Млечный Путь и представляет собой наибольшую концентрацию темной материи в галактике. В ореоле практически нет нормальной материи. По словам авторов, если бы Солнечная система находилась на большем расстоянии от центра галактики, она ощутила бы влияние большей доли темной материи в галактической силе, потому что она была бы ближе к гало темной материи.
Как темная материя может влиять на космические корабли
Согласно новому исследованию, Грин и Белбруно предсказывают, что гравитация темной материи очень слабо взаимодействует со всеми космическими кораблями, которые НАСА отправило на пути, ведущие за пределы Солнечной системы.
«Если космические корабли движутся через темную материю достаточно долго, их траектории меняются, и это важно учитывать при планировании некоторых будущих миссий», — сказал Бельбруно.
К таким космическим кораблям могут относиться списанные зонды Pioneer 10 и 11, запущенные в 1972 и 1973 годах соответственно; зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые ведут исследования более 40 лет и вышли в межзвездное пространство; и космический корабль «Новые горизонты», пролетевший мимо Плутона и Аррокота в поясе Койпера.
Но это крошечный эффект. После путешествия на миллиарды километров траектория космического корабля, такого как Pioneer 10, отклонится всего примерно на 1,6 метра из-за влияния темной материи.
«Они чувствуют воздействие темной материи, но оно настолько мало, что мы не можем его измерить», — сказал Грин.
Где галактическая сила берет верх?
На определенном расстоянии от Солнца галактическая сила становится более мощной, чем притяжение Солнца, состоящего из обычной материи. Бельбруно и Грин подсчитали, что этот переход происходит на расстоянии около 30 000 астрономических единиц, что в 30 000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Это далеко за пределами Плутона, но все же внутри Облака Оорта, роя миллионов комет, окружающих Солнечную систему и простирающихся на 100 000 астрономических единиц.
Это означает, что гравитация темной материи могла сыграть роль в траектории таких объектов, как Оумуамуа , сигарообразной кометы или астероида, прилетевшей из другой звездной системы и прошедшей через внутреннюю часть Солнечной системы в 2017 году. Ее необычно высокую скорость можно объяснить тем, что гравитация темной материи давит на нее миллионы лет.
Если во внешних пределах Солнечной системы есть планета-гигант, гипотетический объект под названием «Планета 9» или «Планета X» , которую ученые ищут в последние годы, темная материя также будет влиять на ее орбиту. Если эта планета существует, темная материя, возможно, даже может оттолкнуть ее от той области, где ученые в настоящее время ее ищут, пишут Грин и Бельбруно. Темная материя, возможно, также привела к тому, что некоторые кометы Облака Оорта вообще покинули орбиту Солнца.
Можно ли измерить гравитацию темной материи?
Чтобы измерить влияние темной материи на Солнечную систему, космическому кораблю не обязательно лететь так далеко. По словам Грина и Бельбруно, на расстоянии 100 астрономических единиц космический корабль с правильным экспериментом может помочь астрономам напрямую измерить влияние темной материи.
В частности, космический корабль, оснащенный радиоизотопной энергией, технология, которая позволила Pioneer 10 и 11, Voyagers и New Horizon летать очень далеко от Солнца, может быть в состоянии выполнить это измерение. Такой космический корабль мог бы нести отражающий шар и сбрасывать его на соответствующее расстояние. Шар будет чувствовать только галактические силы, в то время как космический корабль будет испытывать тепловую силу от распадающегося радиоактивного элемента в его энергосистеме в дополнение к галактическим силам. Вычитая тепловую силу, исследователи могли затем посмотреть, как галактическая сила связана с отклонениями соответствующих траекторий шара и космического корабля. Эти отклонения будут измеряться лазером, когда два объекта летят параллельно друг другу.
Предлагаемая концепция миссии под названием «Межзвездный зонд», целью которой является путешествие примерно на 500 астрономических единиц от Солнца для исследования этой неизведанной среды, является одной из возможностей для такого эксперимента.
Показаны два изображения массивного скопления галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) с телескопа Хаббл. Слева вид в видимом свете со странными голубыми дугами, появляющимися среди желтоватых галактик. Это увеличенные и искаженные изображения галактик, находящихся далеко позади скопления. Их свет искривляется и усиливается огромной гравитацией скопления в процессе, называемом гравитационным линзированием. Справа добавлена синяя штриховка, указывающая местонахождение невидимого материала, называемого темной материей, который математически необходим для объяснения природы и расположения наблюдаемых галактик с гравитационными линзами.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, М. Дж. Джи и Х. Форд (Университет Джона Хопкинса).
Еще о темной материи
Темная материя как скрытая масса в галактиках была впервые предложена в 1930-х годах Фрицем Цвикки. Но эта идея оставалась спорной до 1960-х и 1970-х годов, когда Вера С. Рубин и ее коллеги подтвердили, что движение звезд вокруг их галактических центров не подчинялось бы законам физики, если бы речь шла только об обычной материи. Только гигантский скрытый источник массы может объяснить, почему звезды на окраинах спиральных галактик, подобных нашей, движутся так быстро, как они.
Сегодня природа темной материи является одной из самых больших загадок во всей астрофизике. Мощные обсерватории, такие как космический телескоп Хаббла и рентгеновская обсерватория Чандра, помогли ученым понять влияние и распределение темной материи во Вселенной в целом. Хаббл исследовал множество галактик, чья темная материя способствует эффекту, называемому « линзированием », когда гравитация искривляет само пространство и увеличивает изображения более далеких галактик.
Астрономы узнают больше о темной материи в космосе с помощью новейшего набора современных телескопов. Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба , который был запущен 25 декабря 2021 года, будет способствовать нашему пониманию темной материи, делая изображения и другие данные о галактиках и наблюдая за эффектами их линзирования.
Будущие миссии
Космический телескоп NASA Nancy Grace Roman , запуск которого запланирован на середину 2020-х годов, проведет исследования более миллиарда галактик, чтобы изучить влияние темной материи на их форму и распределение.
Предстоящая миссия Euclid Европейского космического агентства, в которой участвует НАСА, также будет нацелена на темную материю и темную энергию, оглядываясь назад примерно на 10 миллиардов лет назад, в период, когда темная энергия начала ускорять расширение Вселенной. А обсерватория Веры С. Рубин, созданная в сотрудничестве с Национальным научным фондом, Министерством энергетики и другими, которая строится в Чили, добавит ценные данные к этой загадке истинной сущности темной материи.
Но эти мощные инструменты предназначены для поиска сильных эффектов темной материи на больших расстояниях и гораздо дальше, чем в нашей Солнечной системе, где влияние темной материи гораздо слабее.
Теперь новое исследование вычисляет, как гравитация темной материи влияет на объекты в нашей Солнечной системе, включая космические корабли и далекие кометы. Оно также предлагает способ прямого наблюдения влияния темной материи в будущих экспериментах. Статья опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества .
«Мы предсказываем, что если вы уйдете достаточно далеко в Солнечной системе, у вас действительно будет возможность начать измерение силы темной материи, — сказал Джим Грин, соавтор исследования и советник Управления главного научного сотрудника НАСА. – Это первая идея о том, как это сделать и где мы будем это делать».
"Вояджер-1" и Солнечная система с орбитами
В концепции художника космический корабль НАСА «Вояджер-1» смотрит на Солнечную систему с высоты “птичьего полета”. Круги представляют собой орбиты основных внешних планет: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Запущенный в 1977 году, «Вояджер-1» посетил Юпитер и Сатурн. Сейчас космический корабль находится на расстоянии 21 миллиард км от Земли, что делает его самым дальним и самым быстрым из когда-либо созданных человеком объектов. Фактически, «Вояджер-1» сейчас летит через межзвездное пространство, область между звездами, которая заполнена газом, пылью и материалом, переработанным из умирающих звезд.
Темная материя на заднем дворе
Здесь, на Земле, гравитация нашей планеты не дает нам взлететь со стула, а гравитация Солнца заставляет нашу планету вращаться по 365-дневному графику. Но чем дальше от Солнца летит космический корабль, тем меньше он ощущает гравитацию Солнца и тем больше он ощущает другой источник гравитации: материю из остальной части галактики, состоящую в основном из темной материи. Масса 100 миллиардов звезд нашей галактики ничтожно мала по сравнению с оценками содержания темной материи в Млечном Пути.
Чтобы понять влияние темной материи на Солнечную систему, ведущий автор исследования Эдвард Белбруно рассчитал «галактическую силу» — общую гравитационную силу обычной материи в сочетании с темной материей всей галактики. Он обнаружил, что в Солнечной системе около 45 процентов этой силы приходится на темную материю, а 55 процентов — на обычную, так называемую «барионную материю». Это предполагает примерно половинное разделение массы темной материи и обычной материи в Солнечной системе.
«Я был немного удивлен относительно небольшим вкладом галактической силы из-за темной материи, ощущаемой в нашей Солнечной системе, по сравнению с силой из-за обычной материи, — сказал Бельбруно, математик и астрофизик из Принстонского университета и Университета Йешива. – Это объясняется тем, что большая часть темной материи находится во внешних частях нашей галактики, далеко от нашей Солнечной системы».
Большая область, называемая «ореолом» темной материи, окружает Млечный Путь и представляет собой наибольшую концентрацию темной материи в галактике. В ореоле практически нет нормальной материи. По словам авторов, если бы Солнечная система находилась на большем расстоянии от центра галактики, она ощутила бы влияние большей доли темной материи в галактической силе, потому что она была бы ближе к гало темной материи.
Как темная материя может влиять на космические корабли
Согласно новому исследованию, Грин и Белбруно предсказывают, что гравитация темной материи очень слабо взаимодействует со всеми космическими кораблями, которые НАСА отправило на пути, ведущие за пределы Солнечной системы.
«Если космические корабли движутся через темную материю достаточно долго, их траектории меняются, и это важно учитывать при планировании некоторых будущих миссий», — сказал Бельбруно.
К таким космическим кораблям могут относиться списанные зонды Pioneer 10 и 11, запущенные в 1972 и 1973 годах соответственно; зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые ведут исследования более 40 лет и вышли в межзвездное пространство; и космический корабль «Новые горизонты», пролетевший мимо Плутона и Аррокота в поясе Койпера.
Но это крошечный эффект. После путешествия на миллиарды километров траектория космического корабля, такого как Pioneer 10, отклонится всего примерно на 1,6 метра из-за влияния темной материи.
«Они чувствуют воздействие темной материи, но оно настолько мало, что мы не можем его измерить», — сказал Грин.
Где галактическая сила берет верх?
На определенном расстоянии от Солнца галактическая сила становится более мощной, чем притяжение Солнца, состоящего из обычной материи. Бельбруно и Грин подсчитали, что этот переход происходит на расстоянии около 30 000 астрономических единиц, что в 30 000 раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Это далеко за пределами Плутона, но все же внутри Облака Оорта, роя миллионов комет, окружающих Солнечную систему и простирающихся на 100 000 астрономических единиц.
Это означает, что гравитация темной материи могла сыграть роль в траектории таких объектов, как Оумуамуа , сигарообразной кометы или астероида, прилетевшей из другой звездной системы и прошедшей через внутреннюю часть Солнечной системы в 2017 году. Ее необычно высокую скорость можно объяснить тем, что гравитация темной материи давит на нее миллионы лет.
Если во внешних пределах Солнечной системы есть планета-гигант, гипотетический объект под названием «Планета 9» или «Планета X» , которую ученые ищут в последние годы, темная материя также будет влиять на ее орбиту. Если эта планета существует, темная материя, возможно, даже может оттолкнуть ее от той области, где ученые в настоящее время ее ищут, пишут Грин и Бельбруно. Темная материя, возможно, также привела к тому, что некоторые кометы Облака Оорта вообще покинули орбиту Солнца.
Можно ли измерить гравитацию темной материи?
Чтобы измерить влияние темной материи на Солнечную систему, космическому кораблю не обязательно лететь так далеко. По словам Грина и Бельбруно, на расстоянии 100 астрономических единиц космический корабль с правильным экспериментом может помочь астрономам напрямую измерить влияние темной материи.
В частности, космический корабль, оснащенный радиоизотопной энергией, технология, которая позволила Pioneer 10 и 11, Voyagers и New Horizon летать очень далеко от Солнца, может быть в состоянии выполнить это измерение. Такой космический корабль мог бы нести отражающий шар и сбрасывать его на соответствующее расстояние. Шар будет чувствовать только галактические силы, в то время как космический корабль будет испытывать тепловую силу от распадающегося радиоактивного элемента в его энергосистеме в дополнение к галактическим силам. Вычитая тепловую силу, исследователи могли затем посмотреть, как галактическая сила связана с отклонениями соответствующих траекторий шара и космического корабля. Эти отклонения будут измеряться лазером, когда два объекта летят параллельно друг другу.
Предлагаемая концепция миссии под названием «Межзвездный зонд», целью которой является путешествие примерно на 500 астрономических единиц от Солнца для исследования этой неизведанной среды, является одной из возможностей для такого эксперимента.
Показаны два изображения массивного скопления галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) с телескопа Хаббл. Слева вид в видимом свете со странными голубыми дугами, появляющимися среди желтоватых галактик. Это увеличенные и искаженные изображения галактик, находящихся далеко позади скопления. Их свет искривляется и усиливается огромной гравитацией скопления в процессе, называемом гравитационным линзированием. Справа добавлена синяя штриховка, указывающая местонахождение невидимого материала, называемого темной материей, который математически необходим для объяснения природы и расположения наблюдаемых галактик с гравитационными линзами.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, М. Дж. Джи и Х. Форд (Университет Джона Хопкинса).
Еще о темной материи
Темная материя как скрытая масса в галактиках была впервые предложена в 1930-х годах Фрицем Цвикки. Но эта идея оставалась спорной до 1960-х и 1970-х годов, когда Вера С. Рубин и ее коллеги подтвердили, что движение звезд вокруг их галактических центров не подчинялось бы законам физики, если бы речь шла только об обычной материи. Только гигантский скрытый источник массы может объяснить, почему звезды на окраинах спиральных галактик, подобных нашей, движутся так быстро, как они.
Сегодня природа темной материи является одной из самых больших загадок во всей астрофизике. Мощные обсерватории, такие как космический телескоп Хаббла и рентгеновская обсерватория Чандра, помогли ученым понять влияние и распределение темной материи во Вселенной в целом. Хаббл исследовал множество галактик, чья темная материя способствует эффекту, называемому « линзированием », когда гравитация искривляет само пространство и увеличивает изображения более далеких галактик.
Астрономы узнают больше о темной материи в космосе с помощью новейшего набора современных телескопов. Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба , который был запущен 25 декабря 2021 года, будет способствовать нашему пониманию темной материи, делая изображения и другие данные о галактиках и наблюдая за эффектами их линзирования.
Будущие миссии
Космический телескоп NASA Nancy Grace Roman , запуск которого запланирован на середину 2020-х годов, проведет исследования более миллиарда галактик, чтобы изучить влияние темной материи на их форму и распределение.
Предстоящая миссия Euclid Европейского космического агентства, в которой участвует НАСА, также будет нацелена на темную материю и темную энергию, оглядываясь назад примерно на 10 миллиардов лет назад, в период, когда темная энергия начала ускорять расширение Вселенной. А обсерватория Веры С. Рубин, созданная в сотрудничестве с Национальным научным фондом, Министерством энергетики и другими, которая строится в Чили, добавит ценные данные к этой загадке истинной сущности темной материи.
Но эти мощные инструменты предназначены для поиска сильных эффектов темной материи на больших расстояниях и гораздо дальше, чем в нашей Солнечной системе, где влияние темной материи гораздо слабее.
| |