En la concepción de este artista, la nave espacial Voyager 1 de la NASA tiene una vista de pájaro del sistema solar. Los círculos representan las órbitas de los principales planetas exteriores:Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Lanzada en 1977, la Voyager 1 visitó los planetas Júpiter y Saturno. La nave espacial se encuentra ahora a más de 14 mil millones de millas de la Tierra, lo que la convierte en el objeto más lejano jamás construido por el hombre. De hecho, la Voyager 1 ahora está atravesando el espacio interestelar, la región entre las estrellas que está llena de gas, polvo y material reciclado de estrellas moribundas. Crédito:NASA, ESA y G. Bacon (STScI)
Las imágenes de la Vía Láctea muestran miles de millones de estrellas dispuestas en un patrón en espiral que irradian desde el centro, con gas iluminado en el medio. Pero nuestros ojos solo pueden vislumbrar la superficie de lo que mantiene unida a nuestra galaxia. Alrededor del 95 por ciento de la masa de nuestra galaxia es invisible y no interactúa con la luz. Está hecho de una sustancia misteriosa llamada materia oscura, que nunca se ha medido directamente.
Ahora, un nuevo estudio calcula cómo la gravedad de la materia oscura afecta a los objetos de nuestro sistema solar, incluidas las naves espaciales y los cometas distantes. También propone una forma en que la influencia de la materia oscura podría observarse directamente con un experimento futuro. El artículo está publicado en Mensual Notices of the Royal Astronomical Society .
"Predecimos que si te alejas lo suficiente en el sistema solar, tienes la oportunidad de comenzar a medir la fuerza de la materia oscura", dijo Jim Green, coautor del estudio y asesor de la Oficina del Científico Jefe de la NASA. "Esta es la primera idea de cómo hacerlo y dónde lo haríamos".
Materia oscura en nuestro patio trasero
Aquí en la Tierra, la gravedad de nuestro planeta evita que salgamos volando de nuestras sillas, y la gravedad del Sol mantiene a nuestro planeta en órbita en un horario de 365 días. Pero cuanto más lejos del Sol vuela una nave espacial, menos siente la gravedad del Sol y más siente una fuente diferente de gravedad:la de la materia del resto de la galaxia, que es principalmente materia oscura. La masa de los 100 mil millones de estrellas de nuestra galaxia es minúscula en comparación con las estimaciones del contenido de materia oscura de la Vía Láctea.
Para comprender la influencia de la materia oscura en el sistema solar, el autor principal del estudio, Edward Belbruno, calculó la "fuerza galáctica", la fuerza gravitacional general de la materia normal combinada con la materia oscura de toda la galaxia. Encontró que en el sistema solar, alrededor del 45 por ciento de esta fuerza proviene de la materia oscura y el 55 por ciento es de la llamada "materia bariónica". Esto sugiere una división de aproximadamente la mitad y la mitad entre la masa de materia oscura y la materia normal en el sistema solar.
"Me sorprendió un poco la contribución relativamente pequeña de la fuerza galáctica debida a la materia oscura que se siente en nuestro sistema solar en comparación con la fuerza debida a la materia normal", dijo Belbruno, matemático y astrofísico de la Universidad de Princeton y la Universidad Yeshiva. "Esto se explica por el hecho de que la mayor parte de la materia oscura se encuentra en las partes exteriores de nuestra galaxia, lejos de nuestro sistema solar".
Una gran región llamada "halo" de materia oscura rodea la Vía Láctea y representa la mayor concentración de materia oscura de la galaxia. Hay poca o ninguna materia normal en el halo. Si el sistema solar estuviera ubicado a una distancia mayor del centro de la galaxia, sentiría los efectos de una mayor proporción de materia oscura en la fuerza galáctica porque estaría más cerca del halo de materia oscura, dijeron los autores.
Cómo la materia oscura puede influir en las naves espaciales
Green y Belbruno predicen que la gravedad de la materia oscura interactúa muy levemente con todas las naves espaciales que la NASA ha enviado en caminos que salen del sistema solar, según el nuevo estudio.
"Si las naves espaciales se mueven a través de la materia oscura el tiempo suficiente, sus trayectorias cambian, y es importante tener esto en cuenta para la planificación de misiones futuras", dijo Belbruno.
Dicha nave espacial puede incluir las sondas Pioneer 10 y 11 retiradas que se lanzaron en 1972 y 1973, respectivamente; las sondas Voyager 1 y 2 que llevan más de 40 años explorando y han entrado en el espacio interestelar; y la nave espacial New Horizons que ha sobrevolado Plutón y Arrokoth en el cinturón de Kuiper.
Pero es un efecto diminuto. Después de viajar miles de millones de millas, la trayectoria de una nave espacial como Pioneer 10 solo se desviaría unos 5 pies (1,6 metros) debido a la influencia de la materia oscura. "Sienten el efecto de la materia oscura, pero es tan pequeño que no podemos medirlo", dijo Green.
Se muestran dos vistas del Hubble del cúmulo de galaxias masivas Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). A la izquierda está la vista en luz visible con arcos azules de aspecto extraño que aparecen entre las galaxias amarillentas. Estas son las imágenes ampliadas y distorsionadas de galaxias ubicadas muy por detrás del cúmulo. Su luz es desviada y amplificada por la inmensa gravedad del cúmulo en un proceso llamado lente gravitacional. A la derecha, se agregó un sombreado azul para indicar la ubicación del material invisible llamado materia oscura que se requiere matemáticamente para dar cuenta de la naturaleza y la ubicación de las galaxias con lentes gravitacionales que se ven. Crédito:NASA, ESA, M.J. Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins
¿Dónde toma el control la fuerza galáctica?
A cierta distancia del Sol, la fuerza galáctica se vuelve más poderosa que la atracción del Sol, que está hecho de materia normal. Belbruno y Green calcularon que esta transición ocurre alrededor de 30 000 unidades astronómicas, o 30 000 veces la distancia de la Tierra al Sol. Eso está mucho más allá de la distancia de Plutón, pero aún dentro de la Nube de Oort, un enjambre de millones de cometas que rodea el sistema solar y se extiende hasta 100 000 unidades astronómicas.
Esto significa que la gravedad de la materia oscura podría haber jugado un papel en la trayectoria de objetos como "Oumuamua, el cometa o asteroide con forma de cigarro que vino de otro sistema estelar y pasó por el sistema solar interior en 2017. Su velocidad inusualmente rápida podría explicarse por la gravedad de la materia oscura empujándola durante millones de años, dicen los autores.
Si hay un planeta gigante en los confines del sistema solar, un objeto hipotético llamado Planeta 9 o Planeta X que los científicos han estado buscando en los últimos años, la materia oscura también influiría en su órbita. Si este planeta existe, la materia oscura tal vez podría alejarlo del área donde los científicos lo están buscando actualmente, escriben Green y Belbruno. La materia oscura también puede haber causado que algunos de los cometas de la Nube de Oort escaparan por completo de la órbita del Sol.
¿Se podría medir la gravedad de la 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.
