如何在太阳系中测量暗物质

　　#太阳系#在这位艺术家的构想中，美国宇航局的航海者 1 号宇宙飞船可以鸟瞰太阳系。圆圈代表主要外行星的轨道：木星、土星、天王星和海王星。航海者一号于 1977 年发射，访问了木星和土星。该航天器现在距离地球超过 140 亿英里，使其成为有史以来最远的人造物体。事实上，航海者 1 号现在正在穿越星际空间，即恒星之间充满气体、尘埃和从垂死恒星回收的物质的区域。
　　银河系的图片显示了数十亿颗恒星以螺旋状排列，从中心向外辐射，中间有发光的气体。但我们的眼睛只能瞥见将我们银河系凝聚在一起的表面。我们银河系中大约 95% 的质量是不可见的，并且不与光相互作用。它是由一种叫作暗物质的神秘物质制成的，这种物质从未被直接测量过。
　　现在，一项新的研究计算了暗物质的引力如何影响我们太阳系中的物体，包括航天器和遥远的彗星。它还提出了一种方法，可以通过未来的实验直接观察暗物质的影响。这篇文章发表在《皇家天文学会月刊》上。
　　我们预测，如果你在太阳系中走得足够远，你实际上就有机会开始测量暗物质力。这是关于如何做以及我们将在哪里做的第一个想法。
　　我们太阳系的暗物质
　　在地球上，我们星球的引力使我们无法从椅子上飞出，而太阳的引力使我们的星球以 365 天的时间表运行。但是航天器飞得离太阳越远，它感受到的太阳引力就越少，它感受到的引力源就越不同：来自银河系其他部分的物质，主要是暗物质。与银河系暗物质含量的估计相比，我们银河系 1000 亿颗恒星的质量微不足道。
　　为了了解暗物质在太阳系中的影响，主要研究作者爱德华·贝尔布鲁诺计算了＂银河系力＂，即正常物质与整个银河系暗物质的总引力。他发现在太阳系中，这种力大约有 45% 来自暗物质，55% 来自正常的，即所谓的＂重子物质＂。这表明太阳系中暗物质和正常物质的质量大约有一半的差距。
　　与正常物质产生的力量相比，我们太阳系中感受到的暗物质产生的银河系力量的贡献相对较小，这让我有点惊讶。这是因为大多数暗物质位于我们银河系的外围，远离我们的太阳系。
　　一个被称为暗物质＂晕＂的大区域环绕着银河系，代表了银河系暗物质的最大浓度。光晕中几乎没有正常物质。作者说，如果太阳系位于离银河系中心更远的地方，它会感受到银河系中更大比例的暗物质的影响，因为它会更接近暗物质晕。
　　此类航天器可能包括分别于 1972 年和 1973 年发射的退役先驱 10 号和 11 号探测器；探索了40多年，进入星际空间的航海者一号和二号探测器；以及在柯伊伯带飞过冥王星和阿罗克斯的新视野号宇宙飞船。
　　根据这项新的研究，格林和贝尔布鲁诺预测，暗物质的引力会与美国宇航局在通往太阳系之外的路径上发送的所有航天器发生轻微的相互作用。
　　此类航天器可能包括分别于 1972 年和 1973 年发射的退役先驱 10 号和 11 号探测器；探索了40多年，进入星际空间的航海者一号和二号探测器；以及在柯伊伯带飞过冥王星和阿罗克斯的新视野号宇宙飞船。
　　此类航天器可能包括分别于 1972 年和 1973 年发射的退役先驱 10 号和 11 号探测器；探索了40多年，进入星际空间的航海者一号和二号探测器；以及在柯伊伯带飞过冥王星和阿罗科斯的新视野号宇宙飞船。
　　但这是一个很小的影响。在行进数十亿英里之后，像先驱者 10 号这样的航天器，由于受到暗物质的影响，其路径只会偏离约 5 英尺（1.6 米）。他们确实感受到了暗物质的影响，但它太小了，我们无法测量。
　　显示了来自哈勃望远镜的大质量星系团 Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) 的两个视图。左边是可见光下的景象，在淡黄色的星系中出现了奇怪的蓝色弧线。这些是位于星团后方的星系的放大和扭曲图像。在称为引力透镜的过程中，它们的光被星团的巨大引力弯曲和放大。在右侧，添加了蓝色阴影以指示称为暗物质的不可见物质的位置，在数学上需要说明所看到的引力透镜星系的性质和位置。图片来源：NASA、ESA、MJ Jee 和 H. Ford（约翰霍普金斯大学
　　银河系的力量在哪里接管？
　　在离太阳一定距离的地方，银河系的力量变得比太阳的引力更大，太阳的引力是由普通物质组成的。贝尔布鲁诺和格林计算出这种转变发生在大约 30,000 个天文单位，即地球到太阳距离的 30,000 倍。这远远超出了冥王星的距离，但仍在奥尔特云内，这是一群围绕太阳系的数百万颗彗星，延伸到 100,000 个天文单位。
　　这意味着暗物质的引力可能在像＂Oumuamua＂这样的物体的轨迹中发挥了作用，Oumuamua 是雪茄形彗星或小行星，来自另一个恒星系统并于 2017 年穿过内太阳系。可以解释它异常快的速度作者说，暗物质的引力推动了它数百万年。
　　如果太阳系外围有一颗巨大的行星，即科学家近年来一直在寻找的名为行星 9 或行星 X 的假想天体，暗物质也会影响它的轨道。格林和贝尔布鲁诺写道，如果这颗行星存在，暗物质甚至可能会将它推离科学家目前正在寻找它的区域。暗物质也可能导致一些奥尔特云彗星完全脱离太阳轨道。
　　可以测量暗物质的引力吗？
　　为了测量太阳系中暗物质的影响，航天器不一定要飞行那么远。格林和贝尔布鲁诺说，在 100 个天文单位的距离上，一艘进行正确实验的航天器可以帮助天文学家直接测量暗物质的影响。
　　具体来说，配备放射性同位素动力的航天器（一种允许先驱者 10 号和 11 号、航海者号和新地平线号飞离太阳很远的技术）也许能够进行这种测量。这样的航天器可以携带一个反射球，并将其扔到适当的距离。球只会感受到银河力，而航天器除了银河力外，还会受到来自其动力系统中衰变放射性元素的热力。减去热力，研究人员可以研究银河力如何与球和航天器各自轨迹的偏差相关联。当两个物体相互平行飞行时，这些偏差将用激光测量。
　　一项名为星际探测器的拟议任务概念，旨在从太阳前往大约 500 个天文单位以探索未知的环境，这是此类实验的一种可能性。
　　更多关于暗物质
　　暗物质是星系中隐藏的物质，最早是在 1930 年代由 Fritz Zwicky 提出的。但这个想法一直存在争议，直到 1960 年代和 1970 年代，维拉·C·鲁宾 (Vera C. Rubin) 及其同事证实，如果只涉及正常物质，恒星围绕其星系中心的运动将不遵循物理定律。只有一个巨大的隐藏质量源才能解释为什么像我们这样的螺旋星系外围的恒星移动得如此之快。
　　今天，暗物质的性质是所有天体物理学中最大的谜团之一。哈勃太空望远镜和钱德拉 X 射线天文台等强大的天文台帮助科学家们开始了解暗物质在整个宇宙中的影响和分布。哈勃已经探索了许多星系，其暗物质有助于产生一种称为＂透镜效应＂的效应，在这种效应中，重力会使空间本身弯曲并放大更遥远星系的图像。
　　天文学家将使用最新的最先进的望远镜来更多地了解宇宙中的暗物质。美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜于 2021 年 12 月 25 日发射升空，它将通过拍摄星系的图像和其他数据并观察它们的透镜效应来促进我们对暗物质的理解。美国宇航局的南希·格雷斯罗马太空望远镜将于 2020 年代中期发射，将对超过 10 亿个星系进行调查，以研究暗物质对其形状和分布的影响。
　　欧洲航天局即将执行的欧几里得任务（由 NASA 做出贡献）也将针对暗物质和暗能量，回溯大约 100 亿年前的暗能量开始加速宇宙膨胀的时期。国家科学基金会、能源部和其他机构正在智利建设的 Vera C. Rubin 天文台将为这个暗物质的真正本质之谜增添有价值的数据。
　　但是这些强大的工具旨在寻找远距离暗物质的强烈影响，而且比我们的太阳系更远，因为在太阳系中暗物质的影响要弱得多。
　　＂如果你能派出一艘宇宙飞船去探测它，那将是一个巨大的发现，＂贝尔布鲁诺说。