Foto's van de Melkweg tonen miljarden sterren gerangschikt in een spiraalpatroon die vanuit het centrum uitstralen, met daartussen verlicht gas. Maar onze ogen kunnen slechts een glimp opvangen van het oppervlak van wat onze melkweg bij elkaar houdt. Ongeveer 95 procent van de massa van onze melkweg is onzichtbaar en heeft geen interactie met licht. Het is gemaakt van een mysterieuze substantie genaamd donkere materie, die nooit direct is gemeten.

Nu berekent een nieuwe studie hoe de zwaartekracht van donkere materie objecten in ons zonnestelsel beïnvloedt, inclusief ruimtevaartuigen en verre kometen. Het stelt ook een manier voor waarop de invloed van donkere materie direct kan worden waargenomen met een toekomstig experiment. Het artikel is gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

"We voorspellen dat als je ver genoeg in het zonnestelsel komt, je daadwerkelijk de mogelijkheid hebt om de kracht van de donkere materie te gaan meten", zegt Jim Green, co-auteur van de studie en adviseur van NASA's Office of the Chief Scientist. "Dit is het eerste idee van hoe we het moeten doen en waar we het zouden doen."

Donkere materie in onze achtertuin

Hier op aarde zorgt de zwaartekracht van onze planeet ervoor dat we niet uit onze stoelen vliegen, en de zwaartekracht van de zon zorgt ervoor dat onze planeet in een baan van 365 dagen blijft draaien. Maar hoe verder een ruimtevaartuig van de zon af vliegt, hoe minder het de zwaartekracht van de zon voelt, en hoe meer het een andere zwaartekrachtsbron voelt:die van de materie van de rest van de melkweg, die voornamelijk donkere materie is. De massa van de 100 miljard sterren van ons melkwegstelsel is minuscuul vergeleken met schattingen van de hoeveelheid donkere materie in de Melkweg.

Om de invloed van donkere materie in het zonnestelsel te begrijpen, berekende hoofdonderzoeksauteur Edward Belbruno de "galactische kracht", de totale zwaartekracht van normale materie in combinatie met donkere materie uit de hele melkweg. Hij ontdekte dat in het zonnestelsel ongeveer 45 procent van deze kracht afkomstig is van donkere materie en 55 procent van normale, zogenaamde 'baryonische materie'. Dit suggereert een ruwweg half-en-half splitsing tussen de massa van donkere materie en normale materie in het zonnestelsel.

"Ik was een beetje verrast door de relatief kleine bijdrage van de galactische kracht als gevolg van donkere materie die in ons zonnestelsel wordt gevoeld in vergelijking met de kracht als gevolg van de normale materie", zegt Belbruno, wiskundige en astrofysicus aan de Princeton University en Yeshiva University. "Dit wordt verklaard door het feit dat de meeste donkere materie zich in de buitenste delen van onze melkweg bevindt, ver van ons zonnestelsel."

Een groot gebied dat een "halo" van donkere materie wordt genoemd, omringt de Melkweg en vertegenwoordigt de grootste concentratie van de donkere materie van de melkweg. Er is weinig tot geen normale materie in de halo. Als het zonnestelsel zich op grotere afstand van het centrum van de melkweg zou bevinden, zou het de effecten van een groter deel van de donkere materie in de galactische kracht voelen, omdat het dichter bij de halo van de donkere materie zou zijn, aldus de auteurs. P>

Hoe donkere materie ruimtevaartuigen kan beïnvloeden

Volgens de nieuwe studie voorspellen Green en Belbruno dat de zwaartekracht van donkere materie heel licht interageert met alle ruimtevaartuigen die NASA op paden heeft gestuurd die uit het zonnestelsel leiden.

"Als ruimtevaartuigen lang genoeg door de donkere materie bewegen, veranderen hun banen, en dit is belangrijk om rekening mee te houden bij de missieplanning voor bepaalde toekomstige missies", zei Belbruno.

Dergelijke ruimtevaartuigen kunnen de gepensioneerde Pioneer 10 en 11-sondes bevatten die respectievelijk in 1972 en 1973 zijn gelanceerd; de Voyager 1- en 2-sondes die al meer dan 40 jaar op verkenning zijn en de interstellaire ruimte zijn binnengegaan; en het ruimtevaartuig New Horizons dat langs Pluto en Arrokoth in de Kuipergordel is gevlogen.

Maar het is een klein effect. Na miljarden kilometers te hebben afgelegd, zou het pad van een ruimtevaartuig als Pioneer 10 slechts ongeveer 1,6 meter afwijken als gevolg van de invloed van donkere materie. "Ze voelen wel het effect van donkere materie, maar het is zo klein dat we het niet kunnen meten", zei Green.

Waar neemt de galactische kracht het over?

Op een bepaalde afstand van de zon wordt de galactische kracht krachtiger dan de aantrekkingskracht van de zon, die uit normale materie bestaat. Belbruno en Green berekenden dat deze overgang plaatsvindt op ongeveer 30.000 astronomische eenheden, ofwel 30.000 keer de afstand van de aarde tot de zon. Dat is ver buiten de afstand van Pluto, maar nog steeds binnen de Oortwolk, een zwerm van miljoenen kometen die het zonnestelsel omringt en zich uitstrekt tot 100.000 astronomische eenheden.

Dit betekent dat de zwaartekracht van donkere materie een rol zou kunnen hebben gespeeld in het traject van objecten zoals "Oumuamua, de sigaarvormige komeet of asteroïde die in 2017 uit een ander sterrenstelsel kwam en door het binnenste zonnestelsel ging. Zijn ongewoon hoge snelheid kan worden verklaard door de zwaartekracht van donkere materie die er miljoenen jaren op drukt, zeggen de auteurs.

Als er een gigantische planeet in de buitenste regionen van het zonnestelsel is, een hypothetisch object genaamd Planet 9 of Planet X waar wetenschappers de afgelopen jaren naar hebben gezocht, zou donkere materie ook zijn baan beïnvloeden. Als deze planeet bestaat, zou donkere materie hem misschien zelfs weg kunnen duwen van het gebied waar wetenschappers momenteel naar op zoek zijn, schrijven Green en Belbruno. Donkere materie kan er ook voor hebben gezorgd dat sommige kometen van de Oortwolk helemaal aan de baan van de zon zijn ontsnapt.

Kan de zwaartekracht van donkere materie worden gemeten?

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.