Nella concezione di questo artista, la navicella spaziale Voyager 1 della NASA ha una vista a volo d'uccello del sistema solare. I cerchi rappresentano le orbite dei principali pianeti esterni:Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Lanciato nel 1977, il Voyager 1 ha visitato i pianeti Giove e Saturno. Il veicolo spaziale è ora a più di 14 miliardi di miglia dalla Terra, il che lo rende l'oggetto creato dall'uomo più lontano mai costruito. In effetti, la Voyager 1 sta ora zoomando nello spazio interstellare, la regione tra le stelle piena di gas, polvere e materiale riciclato dalle stelle morenti. Credito:NASA, ESA e G. Bacon (STScI)
Le immagini della Via Lattea mostrano miliardi di stelle disposte a spirale che si irradiano dal centro, con gas illuminato nel mezzo. Ma i nostri occhi possono solo intravedere la superficie di ciò che tiene unita la nostra galassia. Circa il 95 per cento della massa della nostra galassia è invisibile e non interagisce con la luce. È fatto di una misteriosa sostanza chiamata materia oscura, che non è mai stata misurata direttamente.
Ora, un nuovo studio calcola in che modo la gravità della materia oscura influenza gli oggetti nel nostro sistema solare, inclusi veicoli spaziali e comete lontane. Propone anche un modo in cui l'influenza della materia oscura potrebbe essere osservata direttamente con un esperimento futuro. L'articolo è pubblicato negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
"Prevediamo che se esci abbastanza lontano nel sistema solare, avrai effettivamente l'opportunità di iniziare a misurare la forza della materia oscura", ha affermato Jim Green, coautore dello studio e consulente dell'Office of the Chief Scientist della NASA. "Questa è la prima idea su come farlo e dove lo faremmo."
La materia oscura nel nostro cortile
Qui sulla Terra, la gravità del nostro pianeta ci impedisce di volare fuori dalle nostre sedie e la gravità del Sole mantiene il nostro pianeta in orbita con un programma di 365 giorni. Ma più lontano dal Sole vola un veicolo spaziale, meno sente la gravità del Sole e più sente una diversa fonte di gravità:quella della materia dal resto della galassia, che è principalmente materia oscura. La massa dei 100 miliardi di stelle della nostra galassia è minuscola rispetto alle stime del contenuto di materia oscura della Via Lattea.
Per comprendere l'influenza della materia oscura nel sistema solare, l'autore principale dello studio Edward Belbruno ha calcolato la "forza galattica", la forza gravitazionale complessiva della materia normale combinata con la materia oscura dell'intera galassia. Ha scoperto che nel sistema solare, circa il 45 per cento di questa forza proviene dalla materia oscura e il 55 per cento dalla normale, cosiddetta "materia barionica". Ciò suggerisce una divisione di circa metà e metà tra la massa della materia oscura e la materia normale nel sistema solare.
"Sono rimasto un po' sorpreso dal contributo relativamente piccolo della forza galattica dovuto alla materia oscura percepito nel nostro sistema solare rispetto alla forza dovuta alla materia normale", ha detto Belbruno, matematico e astrofisico alla Princeton University e alla Yeshiva University. "Ciò è spiegato dal fatto che la maggior parte della materia oscura si trova nelle parti esterne della nostra galassia, lontano dal nostro sistema solare."
Una vasta regione chiamata "alone" di materia oscura circonda la Via Lattea e rappresenta la più grande concentrazione di materia oscura della galassia. C'è poca o nessuna materia normale nell'alone. Se il sistema solare si trovasse a una distanza maggiore dal centro della galassia, risentirebbe degli effetti di una proporzione maggiore di materia oscura nella forza galattica perché sarebbe più vicino all'alone di materia oscura, hanno affermato gli autori.
Come la materia oscura può influenzare i veicoli spaziali
Green e Belbruno prevedono che la gravità della materia oscura interagisce leggermente con tutte le navicelle spaziali che la NASA ha inviato sui percorsi che portano fuori dal sistema solare, secondo il nuovo studio.
"Se i veicoli spaziali si muovono attraverso la materia oscura abbastanza a lungo, le loro traiettorie cambiano, e questo è importante da tenere in considerazione per la pianificazione delle missioni per alcune missioni future", ha detto Belbruno.
Tali veicoli spaziali possono includere le sonde Pioneer 10 e 11 in pensione lanciate rispettivamente nel 1972 e nel 1973; le sonde Voyager 1 e 2 che esplorano da più di 40 anni e sono entrate nello spazio interstellare; e la navicella spaziale New Horizons che ha volato da Plutone e Arrokoth nella fascia di Kuiper.
Ma è un piccolo effetto. Dopo aver percorso miliardi di miglia, il percorso di un veicolo spaziale come Pioneer 10 devierebbe solo di circa 5 piedi (1,6 metri) a causa dell'influenza della materia oscura. "Sentono l'effetto della materia oscura, ma è così piccolo che non possiamo misurarlo", ha detto Green.
Sono mostrate due viste da Hubble del massiccio ammasso di galassie Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). A sinistra c'è la vista in luce visibile con strani archi blu che appaiono tra le galassie giallastre. Queste sono le immagini ingrandite e distorte delle galassie situate molto dietro l'ammasso. La loro luce è piegata e amplificata dall'immensa gravità dell'ammasso in un processo chiamato lente gravitazionale. A destra, è stata aggiunta un'ombreggiatura blu per indicare la posizione del materiale invisibile chiamato materia oscura che è matematicamente richiesta per spiegare la natura e la posizione delle galassie gravitazionalmente osservate. Crediti:NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Johns Hopkins University
Dove prende il sopravvento la forza galattica?
Ad una certa distanza dal Sole, la forza galattica diventa più potente dell'attrazione del Sole, che è fatta di materia normale. Belbruno e Green hanno calcolato che questa transizione avviene a circa 30.000 unità astronomiche, ovvero 30.000 volte la distanza dalla Terra al Sole. Questo è ben oltre la distanza di Plutone, ma è ancora all'interno della Nube di Oort, uno sciame di milioni di comete che circonda il sistema solare e si estende fino a 100.000 unità astronomiche.
Ciò significa che la gravità della materia oscura potrebbe aver avuto un ruolo nella traiettoria di oggetti come "Oumuamua, la cometa o asteroide a forma di sigaro che proveniva da un altro sistema stellare ed è passato attraverso il sistema solare interno nel 2017. La sua velocità insolitamente elevata potrebbe essere spiegata dalla gravità della materia oscura che la spinge per milioni di anni, dicono gli autori.
Se c'è un pianeta gigante nella parte più esterna del sistema solare, un ipotetico oggetto chiamato Pianeta 9 o Pianeta X che gli scienziati hanno cercato negli ultimi anni, anche la materia oscura influenzerebbe la sua orbita. Se questo pianeta esiste, la materia oscura potrebbe forse anche allontanarlo dall'area in cui gli scienziati lo stanno attualmente cercando, scrivono Green e Belbruno. La materia oscura potrebbe anche aver causato la fuga del tutto dall'orbita del Sole da parte di alcune comete della Nube di Oort.
Si può misurare la gravità della materia oscura?
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.
