如何在太陽系中測量暗物質

銀河系的照片顯示，數十億顆恆星以螺旋狀排列，從中心向外輻射，中間是發光的氣體。 但我們的眼睛只能看見將銀河系維繫在一起的表面。 銀河系大約95%的品質的物體是不可見的，並且不會與光相互作用。 它是由一種叫做暗物質的神秘物質構成的，這種物質從未被直接測量過。

現在，一項新的研究計算出暗物質的引力是如何影響太陽系中的物體的，包括宇宙飛船和遙遠的彗星。 它還提出了一種方法，可以在未來的實驗中直接觀察到暗物質的影響。 這篇文章發表在《皇家天文學會月報》上。

「我們預測，如果你在太陽系中走得足夠遠，你實際上有機會測量暗物質力量，」該研究的共同作者兼 NASA 首席科學家辦公室顧問吉姆·格林（ Jim Green ）說。 「這是一個關於如何做及我們將在哪裡做的想法。」

我們後院中的暗物質

在地球上，地球的引力使我們不會從椅子上飛起來，而太陽的引力使地球以365天為週期運行。 但是，宇宙飛船飛得離太陽越遠，就越感覺不到太陽的引力，就越能感覺到不同的引力源：來自星系其他部分的物質，其中主要是是暗物質。 銀河系的1000億顆恆星的品質與銀河系的暗物質含量相比微不足道。

為了理解暗物質對太陽系的影響，該研究的主要作者愛德華·貝爾布魯諾（ Edward Belbruno ） 計算了「銀河系力」，即整個星系中正常物質與暗物質的總引力。 他發現：在太陽系中，大約45% 的力量來自暗物質，55% 來自正常的所謂的”重子物質”，這表明：在太陽系中暗物質和普通物質的質量大約是各佔一半。

普林斯頓大學和葉史瓦大學的數學家和天體物理學家貝爾布魯諾（ Belbruno ）說：「與正常物質引起的力相比，暗物質對銀河系力的貢獻相對較小，這讓我有點驚訝，這可以解釋為，大多數暗物質都位於銀河系的外部，遠離我們的太陽系。」

銀河系周圍環繞著一大片被稱為”暈”的暗物質區域，是銀河系暗物質最集中的區域。 光暈中幾乎沒有或根本沒有正常物質。 作者說，如果太陽系離星系中心的距離更遠，它會感覺到銀河系力中更大比例的暗物質的影響，因為它會更接近暗物質暈。

在這幅藝術家的構想圖中，NASA的旅行者1號宇宙飛船鳥瞰了太陽系。 這些圓圈代表了主要的外行星的軌道：木星、土星、天王星和海王星。 1977年發射的旅行者1號曾訪問過木星和土星。 這艘宇宙飛船現在距離地球130億英里，是迄今為止距離地球最遠、移動速度最快的人造物體。 事實上，旅行者1號正在正在星際空間中快速移動，星際空間是恆星之間的區域，充滿了氣體、塵埃和從垂死恆星中回收的物質。 資料來源：NASA、ESA、G.培根（ STScI ）

暗物質如何影響航太器

根據這項新研究，格林（ Green ）和貝爾布魯諾（ Belbruno ）預測，暗物質的引力與 NASA 發射到太陽系外的所有航太器都有輕微的相互作用。

「如果航太器在暗物質中運動足夠長的時間，它們的軌跡就會改變，這對於考慮某些未來任務的任務規劃非常重要」貝爾布魯諾（ Belbruno ）說。

這種航太器可能包括分別於1972年和1973年發射的退役先驅者10號和11號探測器、已探索宇宙40多年並進入星際空間的旅行者1號和旅行者2號探測器、以及在柯伊伯帶（ Kuiper Belt ）飛越冥王星和阿羅科特（ Arrokoth ）的新地平線號航太器。

但這是一個微小的影響。 在行駛了數十億英里之後，由於暗物質的影響，像先驅者10號這樣的航太器的路徑只會偏離約5英尺（1.6米）。「他們確實感受到了暗物質的影響，但影響太小了，我們無法測量它格林（ Green ）說。

銀河系的力量在哪裡管控？

在離太陽一定的距離時，銀河系的力量變得比太陽的引力更強大，太陽是由正常物質組成的。 格林（ Green ）和貝爾布魯諾（ Belbruno ）計算出，這種轉變發生在大約30，000天文單位的地方，或者說是在從地球到太陽的距離的30，000倍時。 這遠遠超出了冥王星的距離，但仍然在奧爾特雲內部，奧爾特雲是一個由數百萬顆彗星組成的群體，圍繞著太陽系，一直延伸到10萬個天文單位。

這意味著暗物質的引力可能在諸如「奧陌陌」（ Oumuamua ）等這樣的天體的軌道中發揮了作用。 “奧陌陌”（ Oumuamua ）是雪茄形的彗星或小行星，來自另一個恆星系統，並於2017年穿過內太陽系。 作者說，它異乎尋常的快速度可以解釋為暗物質的引力對它的推動長達數百萬年之久。

如果在太陽系的週邊存在一顆巨大的行星—- 科學家們近年來一直在尋找一顆假想的被稱為行星9或行星 x 的物體—- 暗物質也會影響它的軌道。 格林（ Green ）和貝爾布魯諾（ Belbruno ）寫道： 如果這顆行星真的存在，暗物質甚至可能會把它從科學家目前正在尋找的地方推開。 暗物質也可能導致奧爾特雲中的一些彗星完全逃離了太陽的軌道。

暗物質的引力可以被測量嗎？

「為了測量太陽系中暗物質的影響，航太器不一定要行駛那麼遠。 」格林（ Green ）和貝爾布魯諾（ Belbruno ）說，在100個天文單位的距離上，通過正確的實驗，航太器可以説明天文學家直接測量暗物質的影響。

具體來說，一艘配備了放射性同位素能量的航太器可能能夠進行這一測量，這種技術已經支援先驅者10號和11號、旅行者號和新地平線號飛到離太陽很遠的地方。 這樣的航太器可以攜帶一個反射球，並將其投到適當的距離。 球只會受到星系力的影響，而航太器除了受到星系力影響之外，還會受到動力系統中衰變的放射性元素產生的熱力的影響。 除去熱力，研究人員可以觀察星系力與球和航太器各自軌跡的偏差之間的關係。 當兩個物體平行飛行時，可以用激光測量這些偏差。

一項名為「星際探測器」 （ Interstellar Probe ） 的計畫是進行此類實驗的一種可能，該計畫的目標是從太陽到大約 500 個天文單位的地方，探索未知的環境。

這是從哈勃望遠鏡觀察到的大品質星系團 Cl 0024 + 17（ZwCl 0024 + 1652）的兩幅圖像。 左邊是可見光下的景象，在淡黃色的星系中出現了奇怪的藍色弧形。 這些是位於星系團後面很遠的星系的放大和扭曲的圖像。 它們發出的光被星系團巨大的引力所彎曲和放大，這個過程被稱為引力透鏡。 在右邊，添加了一個藍色陰影，來表明不可見物質的位置，稱為暗物質，這在數學上是用來解釋被觀察到的引力透鏡星系的性質和位置的。 來源： NASA，ESA，約翰·霍普金斯大學/蓋蒂圖片社（ m.j. Jee and h. Ford ）

更多關於暗物質的資訊

暗物質作為星系中的隱藏物質，最初是由 弗裡茨 · 茲維琪（ Fritz Zwicky ）在20世紀30年代提出的。 但這個想法一直存在爭議，直到20世紀60年代和70年代，維拉· C·魯賓（ Vera C. Rubin ）和他的同事們證實，如果只涉及正常物質，恆星圍繞銀河系中心的運動就不會遵循物理定律。 只有一個巨大的隱藏品質來源才能解釋為什麼像我們這樣的螺旋星系週邊的恆星移動得如此之快。

今天，暗物質的本質是所有天體物理學中最大的謎團之一。 哈勃太空望遠鏡（ Hubble Space Telescope ）和錢德拉x射線天文臺（ Chandra X-Ray Observatory ）等強大的天文臺幫助科學家們開始瞭解暗物質在整個宇宙中的影響和分佈。 哈勃望遠鏡已經探索了許多星系，這些星系的暗物質促成了一種被稱為”透鏡效應”的效應，在這種效應下，引力會使空間本身彎曲，並放大更遙遠星系的圖像。

天文學家將通過一套最新最先進的望遠鏡更細緻地瞭解宇宙中的暗物質。 美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（ James Webb Space Telescope ）於2021年12月25日發射，將通過拍攝星系的圖像和其他數據並觀察星系的透鏡效應，從而幫助我們理解暗物質。 NASA的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（ Nancy Grace Roman Space Telescope ）將於本世紀20年代中期發射，它將對超過十億個星系進行調查，以觀察暗物質對星系形狀和分佈的影響。

ESA（ European Space Agency ）即將進行的歐幾裡得任務（ Euclid mission ）也將以暗物質和暗能量為目標，回顧約100億年前暗能量開始加速宇宙膨脹的時期。 而由美國國家科學基金會（ National Science Foundation ）、能源部（ Department of Energy ）和其他機構合作的維拉· C·魯賓天文臺（ Vera C. Rubin Observatory ）正在智利建設，它將為暗物質的真正本質之謎提供有價值的數據。

但是這些強大的工具旨在尋找暗物質的強大影響，它可以跨越很遠的距離，比太陽系要遠得多。 因為太陽系中暗物質的影響要弱得多。貝爾布魯諾（ Belbruno ）說：「如果你能發射一個宇航器去探測它，那將是一個巨大的發現。」