На зображенні Молочного Шляху видно мільярди зір, розташованих у вигляді спіралей, що йдуть від центра, а також газ між ними, освітлений зорями. Але наші очі можуть бачити лише прояв того, що тримає Галактику разом. Близько 95 відсотків маси нашої галактики невидимі і не взаємодіють зі світлом. Цю загадкову субстанцію під назвою темна матерія ще ніколи не вимірювали прямо.
Тепер у новому дослідженні показано, як гравітація темної матерії впливає на об’єкти Сонячної системи, зокрема космічні апарати та далекі комети. Також запропоновано спосіб, як можна було б прямо спостерігати вплив темної матерії. Результати дослідження оприлюднені в журналі «Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства» (Monthly Noticesof the Royal Astronomical Society).
«Ми передбачаємо: якщо ви потрапите достатньо далеко на периферію Сонячної системи, у вас буде можливість почати вимірювати силу темної матерії», — сказав Джим Ґрін (JimGreen), співавтор дослідження та радник Офісу головного вченого NASA. «Це перша ідея, як це зробити, а також те, де ми це будемо робити».
Темна матерія в нашому дворі
Тут, на Землі, гравітація нашої планети не дає нам вилетіти з крісел, а гравітація Сонця підтримує нашу планету на орбіті за 365-денним графіком. Але що далі від Сонця летить космічний апарат, то менше він відчуває гравітацію Сонця, і все більше й більше відчуває інше джерело тяжіння: масу решти Галактики, яку переважно становить темна матерія. Маса 100 мільярдів зір нашої галактики є незначною у порівнянні з вмістом темної матерії в Молочному Шляху.
Щоб зрозуміти вплив темної матерії в Сонячній системі, перший автор дослідження Едвард Бельбруно (Edward Belbruno) розрахував «галактичну силу», загальну силу тяжіння звичайної 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 звичайної, так званої «баріонної матерії». Це вказує на те, що розподіл маси темної і звичайної матерії в Сонячній системі становить приблизно наполовину.
«Я був трохи здивований відносно невеликим внеском галактичної сили через темну матерію, що відчувається в Сонячній системі, у порівнянні з силою, спричиненою звичайною матерією», — сказав Бельбруно, математик і астрофізик з Прінстонського університету та Університету Єшиви. «Це пояснюється тим, що більшість темної матерії міститься у зовнішніх частинах нашої галактики, далеко від Сонячної системи».
Найвища концентрація темної матерії Молочного Шляху є в гало — величезному ореолі, що оточує нашу галактику. В гало майже немає звичайної матерії. Якби Сонячна система була розташована на більшій відстані від центра галактики, вона б мала вплив більшої частки темної матерії в галактичній силі, бо вона була б ближче до гало темної матерії, вважають автори.
Уявлення художника про космічний апарат NASA Voyager 1 («Вояджер-1»), що спостерігає Сонячну систему з висоти «пташиного польоту». Кола зображують орбіти зовнішніх планет: Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна. Запущений у 1977 році «Вояджер-1» відвідав Юпітера і Сатурна. Зараз космічний зонд перебуває на відстані 20,8 мільярдів кілометрів від Землі — це найвіддаленіший і найшвидший об’єкт, створений людиною. «Вояджер-1» нині рухається крізь міжзоряний простір, заповнений газом і пилом. Фото з сайту www.nasa.gov.
Як темна матерія може впливати на космічний апарат?
Згідно з результатами нового дослідження, Ґрін і Бельбруно передбачають, що гравітація темної матерії дуже слабо взаємодіє з усіма космічними апаратами, які NASA спрямувало на орбіти, що ведуть із Сонячної системи.
«Якщо космічні зонди рухаються крізь темну матерію досить довго, їх траєкторії змінюються, і це важливо враховувати при плануванні деяких майбутніх місій», — сказав Бельбруно. Серед космічних апаратів, які «відчули» вплив темної матерії, можуть бути зняті з експлуатації зонди «Піонер-10» і «Піонер-11», запущені в 1972 і 1973 роках відповідно; зонди «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які подорожують понад 40 років і увійшли в міжзоряний простір; і космічний апарат «Нові Горизонти», який пролетів біля Плутона і Аррокота в поясі Койпера.
Але це невеликий ефект. Шлях космічного зонда, такого як «Піонер-10», на відтинку в мільярди кілометрів відхилився б через вплив темної матерії лише на 1,6 метра. «Вони справді відчувають вплив темної матерії, але він такий малий, що ми не можемо його виміряти», — сказав Ґрін.
Де переважає галактична сила?
На певній відстані від Сонця галактична сила стає потужнішою, ніж гравітація Сонця, яке складається із звичайної матерії. Бельбруно і Ґрін підрахували, що цей перехід відбувається приблизно на відстані 30 000 астрономічних одиниць, або в 30 000 разів більше відстані від Землі до Сонця. Це далеко за межами орбіти Плутона, але все ще всередині Хмари Оорта, рою мільйонів комет, яка оточує Сонячну систему і простягається до 100 000 астрономічних одиниць.
Це означає, що гравітація темної матерії могла зіграти певну роль у траєкторії такого об’єкта, як «Оумуамуа» (‘Oumuamua), сигароподібної комети чи астероїда, що вийшов з іншої зоряної системи та пройшов через внутрішню Сонячну систему у 2017 році. Його надзвичайно велику швидкість можна пояснити гравітацією темної матерії, яка діяла на нього протягом мільйонів років, кажуть автори.
Якщо в околицях Сонячної системи є планета-гігант, гіпотетичний об’єкт під назвою «Планета 9» чи «Планета X», який вчені шукали в останні роки, темна матерія також вплине на її орбіту. Якщо ця планета існує, темна матерія, можливо, навіть могла б відштовхнути її від ділянки простору, де її зараз шукають науковці, пишуть Ґрін і Бельбруно. Темна матерія, можливо, також призвела до того, що деякі комети Хмари Оорта взагалі покинули орбіту навколо Сонця.
Чи можна виміряти гравітацію темної матерії?
Щоб виміряти вплив темної матерії в Сонячній системі, космічний апарат не обов’язково має подорожувати так далеко. На думку Ґріна і Бельбруно вже на відстані 100 астрономічних одиниць космічний зонд з правильним експериментом може допомогти астрономам прямо виміряти вплив темної матерії.
Зокрема, космічний апарат, оснащений радіоізотопним джерелом енергії, технологією, яка дала змогу «Піонерам», «Вояджерам» і зонду «Нові Горизонти» відійти дуже далеко від Сонця, можливо, зміг би зробити це вимірювання. На облавок такого космічного зонда треба помістити кулю, поверхня якої відбиває світло. Прибувши на місце виконання експерименту, зонд має викинути кулю на певну відстань від себе. Кулька відчуватиме лише галактичні сили, натомість космічний апарат, на додаток до галактичних сил, відчуватиме теплову енергію від радіоактивного елемента в його системі живлення. Віднявши цей складник від загального значення сили, що діє на космічний апарат, дослідники могли б подивитися, як галактична сила пов’язана з відхиленнями у відповідних траєкторіях кулі та космічного зонда. Ці відхилення будуть виміряні за допомогою лазера, коли два об’єкти рухаються паралельно один одному.
Запропонована концепція місії під назвою Interstellar Probe, яка має на меті відправити зонд на відстань приблизно 500 астрономічних одиниць від Сонця, щоб дослідити незвідане середовище, є однією з можливостей для такого експерименту.
Два зображення, отримані за допомогою Космічного телескопа імені Габбла, масивного скупчення галактик Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Ліворуч — вигляд 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 дуже сильної гравітації скупчення у процесі, який називається гравітаційним лінзуванням. Праворуч додано синє ретушування, щоб показати розташування невидимої субстанції, яку в астрономії називають темною матерією. Завдяки наявності цієї субстанції можна математично пояснити природу та розміщення галактик, які можна побачити завдяки гравітаційній лінзі. Фото з сайту www.nasa.gov.
Докладніше про темну матерію
Темну матерію як приховану масу в галактиках вперше запропонував у 1930-х роках Фріц Цвіккі (Fritz Zwicky). Але ця ідея була суперечливою до 1960-х і 1970-х років, коли Віра Рубін та її колеги підтвердили, що рух зір навколо центрів їхніх галактик не відповідатиме законам фізики, якби на них діяла лише звичайна речовина. Тільки наявністю величезного прихованого джерела маси можна пояснити, чому зорі на околицях таких спіральних галактик, як наша, рухаються з тими швидкостями, які фіксують астрономи.
Природа темної матерії — одна з найбільших загадок в астрофізиці. Потужні обсерваторії, такі як Космічний телескоп імені Габбла і рентгенівська обсерваторія «Чандра», дали змогу вченим зрозуміти вплив і розподіл темної матерії у Всесвіті в цілому. «Габбл» досліджував багато галактик, темна матерія яких сприяє ефекту, що має назву «лінзування». Його суть в тому, що гравітація галактик згинає простір, а це діє, як лінза, тобто відбувається фокусування випромінювання об’єктів, що лежать далеко за такою «лінзою». У такий спосіб вдається отримати зображення дуже далеких галактик.
Астрономи дізнаються більше про темну матерію у космосі за допомогою кількох новітніх телескопів. Космічний телескоп Джеймса Вебба, який був запущений 25 грудня 2021 року, сприятиме нашому розумінню темної матерії, отримуючи зображення галактик та інші дані про них, а також спостерігатиме ефекти їхніх гравітаційних лінз. Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман, який NASA планує запустити в середині 2020-х років, виконає дослідження понад мільярда галактик, щоб з’ясувати вплив темної матерії на їх форми та розподіл у космічному просторі.
Майбутня місія Європейського космічного агентства «Евклід», у якій є внесок NASA, також буде спрямована на вивчення темної матерії та темної енергії, оглядаючись у часі приблизно на 10 мільярдів років, тобто до періоду, коли темна енергія почала прискорювати розширення Всесвіту. А обсерваторія Віри Рубін, створена Національним науковим фондом, Департаментом енергетики та іншими установами, яку зараз будують в Чилі, додасть цінні дані, щоб науковці змогли розкрити справжню сутність темної матерії.
Але ці потужні інструменти розроблені для пошуку сильних впливів темної матерії на великих відстанях і набагато далі, ніж у Сонячній системі, де вплив темної матерії набагато слабкіше. «Якби ви могли відправити туди космічний зонд, щоб виявити такий вплив, це було б велике відкриття», — сказав Бельбруно.
За інф. з сайту www.nasa.gov підготував Іван Крячко
