I den här konstnärens uppfattning har NASA:s rymdfarkost Voyager 1 ett fågelperspektiv av solsystemet. Cirklarna representerar banorna för de stora yttre planeterna:Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. Voyager 1 lanserades 1977 och besökte planeterna Jupiter och Saturnus. Rymdfarkosten är nu mer än 14 miljarder miles från jorden, vilket gör den till det längsta mänskligt skapade föremålet som någonsin byggts. Faktum är att Voyager 1 nu zoomar genom det interstellära rymden, området mellan stjärnorna som är fyllt med gas, damm och material som återvinns från döende stjärnor. Kredit:NASA, ESA och G. Bacon (STScI)
Bilder av Vintergatan visar miljarder stjärnor ordnade i ett spiralmönster som strålar ut från mitten, med upplyst gas emellan. Men våra ögon kan bara skymta ytan av det som håller ihop vår galax. Cirka 95 procent av massan av vår galax är osynlig och interagerar inte med ljus. Den är gjord av ett mystiskt ämne som kallas mörk materia, som aldrig har mätts direkt.
Nu beräknar en ny studie hur mörk materias gravitation påverkar objekt i vårt solsystem, inklusive rymdfarkoster och avlägsna kometer. Den föreslår också ett sätt att mörk materias inflytande kan observeras direkt med ett framtida experiment. Artikeln publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
"Vi förutspår att om du kommer ut tillräckligt långt i solsystemet har du faktiskt möjligheten att börja mäta den mörka materiens kraft", säger Jim Green, medförfattare till studien och rådgivare till NASA:s kontor för chefsforskaren. "Detta är den första idén om hur man gör det och var vi skulle göra det."
Mörk materia på vår bakgård
Här på jorden hindrar vår planets gravitation oss från att flyga ur våra stolar, och solens gravitation håller vår planet i omloppsbana enligt ett 365-dagarsschema. Men ju längre bort från solen en rymdfarkost flyger, desto mindre känner den av solens gravitation, och desto mer känner den en annan gravitationskälla:materiens källa från resten av galaxen, som mestadels är mörk materia. Massan av vår galaxs 100 miljarder stjärnor är mycket liten jämfört med uppskattningar av Vintergatans innehåll av mörk materia.
För att förstå påverkan av mörk materia i solsystemet, beräknade huvudstudieförfattaren Edward Belbruno den "galaktiska kraften", den totala gravitationskraften hos normal materia i kombination med mörk materia från hela galaxen. Han fann att i solsystemet är cirka 45 procent av denna kraft från mörk materia och 55 procent från normal, så kallad "baryonisk materia". Detta antyder en uppdelning på ungefär halv och halv mellan massan av mörk materia och normal materia i solsystemet.
"Jag blev lite förvånad över det relativt lilla bidraget från den galaktiska kraften på grund av mörk materia som känns i vårt solsystem jämfört med kraften på grund av den normala materien", säger Belbruno, matematiker och astrofysiker vid Princeton University och Yeshiva University. "Detta förklaras av det faktum att det mesta av mörk materia finns i de yttre delarna av vår galax, långt från vårt solsystem."
En stor region som kallas en "halo" av mörk materia omger Vintergatan och representerar den största koncentrationen av mörk materia i galaxen. Det finns lite eller inget normalt material i gloria. Om solsystemet var lokaliserat på ett större avstånd från galaxens centrum skulle det känna effekterna av en större andel mörk materia i den galaktiska kraften eftersom det skulle vara närmare den mörka materiens halo, sa författarna.
Hur mörk materia kan påverka rymdfarkoster
Green och Belbruno förutspår att mörk materias gravitation i någon mån interagerar med alla rymdskepp som NASA har skickat på vägar som leder ut ur solsystemet, enligt den nya studien.
"Om rymdskepp rör sig tillräckligt länge genom den mörka materien, ändras deras banor, och detta är viktigt att ta hänsyn till vid uppdragsplanering för vissa framtida uppdrag," sa Belbruno.
Sådana rymdfarkoster kan inkludera de pensionerade Pioneer 10 och 11 sonderna som lanserades 1972 respektive 1973; Voyager 1- och 2-sonderna som har utforskats i mer än 40 år och som har kommit in i det interstellära rymden; och rymdfarkosten New Horizons som har flugit av Pluto och Arrokoth i Kuiperbältet.
Men det är en liten effekt. Efter att ha färdats miljarder miles, skulle vägen för en rymdfarkost som Pioneer 10 bara avvika med cirka 5 fot (1,6 meter) på grund av påverkan av mörk materia. "De känner effekten av mörk materia, men den är så liten att vi inte kan mäta den," sa Green.
Två vyer från Hubble av den massiva galaxhopen Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) visas. Till vänster är vyn i synligt ljus med udda blåa bågar som dyker upp bland de gulaktiga galaxerna. Det här är de förstorade och förvrängda bilderna av galaxer som ligger långt bakom klustret. Deras ljus böjs och förstärks av klustrets enorma gravitation i en process som kallas gravitationslinsning. Till höger har en blå skuggning lagts till för att indikera platsen för osynligt material som kallas mörk materia som matematiskt krävs för att redogöra för naturen och placeringen av de gravitationslinsförsedda galaxerna som ses. Kredit:NASA, ESA, M.J. Jee och H. Ford (Johns Hopkins University
Var tar den galaktiska kraften över?
På ett visst avstånd från solen blir den galaktiska kraften kraftigare än solens dragkraft, som är gjord av normal materia. Belbruno och Green beräknade att denna övergång sker vid cirka 30 000 astronomiska enheter, eller 30 000 gånger avståndet från jorden till solen. Det är långt bortom Plutos avstånd, men fortfarande inne i Oorts moln, en svärm av miljontals kometer som omger solsystemet och sträcker sig ut till 100 000 astronomiska enheter.
Detta betyder att mörk materias gravitation kunde ha spelat en roll i banan för objekt som "Oumuamua, den cigarrformade kometen eller asteroiden som kom från ett annat stjärnsystem och passerade genom det inre solsystemet 2017. Dess ovanligt snabba hastighet kunde förklaras genom att mörk materias gravitation trycker på den i miljontals år, säger författarna.
Om det finns en gigantisk planet i solsystemets yttre delar, ett hypotetiskt objekt som kallas Planet 9 eller Planet X som forskare har letat efter de senaste åren, skulle mörk materia också påverka dess omloppsbana. Om den här planeten finns kan mörk materia kanske till och med trycka bort den från området där forskare för närvarande letar efter den, skriver Green och Belbruno. Mörk materia kan också ha fått några av kometerna i Oorts moln att fly helt och hållet från solens bana.
Kan mörk materias gravitation mätas?
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.
