Bu sanatçının sunumu, kendi Samanyolu Gökadamızın bir görünümünü ve yukarıdan bakıldığında göründüğü gibi merkez çubuğunu göstermektedir. Kredi: NASA/JPL-Caltech/R. Yara (SSC)
Güneş Sisteminde Karanlık Madde Nasıl Ölçülebilir?
Resimleri Samanyolu aralarında aydınlatılmış gaz bulunan, merkezden yayılan sarmal bir düzende düzenlenmiş milyarlarca yıldızı gösterir. Ancak gözlerimiz sadece galaksimizi bir arada tutan şeyin yüzeyini görebilir. Galaksimizin kütlesinin yaklaşık yüzde 95’i görünmezdir ve ışıkla etkileşime girmez. Karanlık madde adı verilen ve hiçbir zaman doğrudan ölçülmemiş gizemli bir maddeden yapılmıştır.
Şimdi, yeni bir çalışma, karanlık maddenin yerçekiminin, uzay aracı ve uzak kuyruklu yıldızlar da dahil olmak üzere güneş sistemimizdeki nesneleri nasıl etkilediğini hesaplıyor. Ayrıca, karanlık maddenin etkisinin gelecekteki bir deneyle doğrudan gözlemlenebileceği bir yol önermektedir. Makale şurada yayınlandı: Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri.
Jim Green, “Güneş sisteminde yeterince uzaklaşırsanız, aslında karanlık madde gücünü ölçmeye başlama fırsatınız olduğunu tahmin ediyoruz” dedi. NASABaş Bilim İnsanı Ofisi. “Nasıl yapacağımıza ve nerede yapacağımıza dair ilk fikir bu.”
Arka bahçemizdeki karanlık madde
Burada, Dünya’da, gezegenimizin yerçekimi bizi sandalyelerimizden uçmaktan alıkoyuyor ve Güneş’in yerçekimi gezegenimizin 365 günlük bir programda yörüngede dönmesini sağlıyor. Ancak, bir uzay aracı Güneş’ten ne kadar uzak uçarsa, Güneş’in yerçekimini o kadar az hisseder ve o kadar farklı bir yerçekimi kaynağı hisseder: Galaksinin geri kalanından gelen, çoğunlukla karanlık madde olan maddenin. Galaksimizin 100 milyar yıldızının kütlesi, Samanyolu’nun karanlık madde içeriği tahminlerine kıyasla çok küçük.
Karanlık maddenin güneş sistemindeki etkisini anlamak için, baş çalışma yazarı Edward Belbruno, tüm galaksideki karanlık madde ile birleştirilmiş normal maddenin genel yerçekimi kuvveti olan “galaktik kuvveti” hesapladı. Güneş sisteminde bu kuvvetin yaklaşık yüzde 45’inin karanlık maddeden ve yüzde 55’inin normal, sözde “baryonik maddeden” olduğunu buldu. Bu, güneş sistemindeki karanlık madde kütlesi ile normal madde arasında kabaca yarı yarıya bir bölünme olduğunu gösteriyor.
Matematikçi ve astrofizikçi Belbruno, “Güneş sistemimizde hissedilen karanlık maddeden kaynaklanan galaktik kuvvetin, normal maddeden kaynaklanan kuvvete kıyasla nispeten küçük katkısı beni biraz şaşırttı” dedi. Princeton Üniversitesi ve Yeshiva Üniversitesi. “Bu, karanlık maddenin çoğunun galaksimizin dış kısımlarında, güneş sistemimizden uzakta olduğu gerçeğiyle açıklanıyor.”
Karanlık maddenin “halosu” olarak adlandırılan geniş bir bölge, Samanyolu’nu çevreler ve galaksinin karanlık maddesinin en büyük konsantrasyonunu temsil eder. Haloda normal madde yok denecek kadar az. Yazarlar, güneş sistemi galaksinin merkezinden daha uzak bir yere yerleştirilmiş olsaydı, karanlık madde halesine daha yakın olacağı için galaktik kuvvette daha büyük oranda karanlık maddenin etkilerini hissedeceğini söyledi.
Bu sanatçının anlayışında, NASA’nın Voyager 1 uzay aracı, güneş sisteminin kuşbakışı görünümüne sahiptir. Daireler, başlıca dış gezegenlerin yörüngelerini temsil eder: Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün. 1977’de fırlatılan Voyager 1, Jüpiter ve Satürn gezegenlerini ziyaret etti. Uzay aracı şu anda Dünya’dan 14 milyar milden fazla, bu da onu şimdiye kadar yapılmış en uzak insan yapımı nesne yapıyor. Aslında, Voyager 1 şimdi yıldızlararası uzayda, gaz, toz ve ölmekte olan yıldızlardan geri dönüştürülmüş malzeme ile dolu yıldızlar arasındaki bölgeyi yakınlaştırıyor. Kredi: NASA, ESA ve G. Bacon (STScI)
Karanlık madde uzay aracını nasıl etkileyebilir?
Green ve Belbruno, yeni araştırmaya göre, karanlık maddenin yerçekiminin NASA’nın güneş sisteminden çıkan yollara gönderdiği tüm uzay araçlarıyla çok az etkileşime girdiğini tahmin ediyor.
Belbruno, “Uzay aracı karanlık maddede yeterince uzun süre hareket ederse, yörüngeleri değişir ve bu, gelecekteki belirli görevler için görev planlamasında dikkate alınması önemlidir.” Dedi.
Bu tür uzay araçları, sırasıyla 1972 ve 1973’te fırlatılan emekli Pioneer 10 ve 11 sondalarını içerebilir; 40 yılı aşkın süredir araştırma yapan ve yıldızlararası uzaya giren Voyager 1 ve 2 sondaları; ve yanından geçen Yeni Ufuklar uzay aracı Plüton ve Kuiper Kuşağı’ndaki Arrokoth.
Ama bu küçük bir etki. Milyarlarca mil seyahat ettikten sonra, Pioneer 10 gibi bir uzay aracının yolu, karanlık maddenin etkisinden dolayı sadece yaklaşık 5 fit (1.6 metre) sapacaktır. Green, “Karanlık maddenin etkisini hissediyorlar, ancak o kadar küçük ki ölçemiyoruz” dedi.
Galaktik kuvvet nerede kontrolü ele alıyor?
Güneş’ten belirli bir uzaklıkta, galaktik kuvvet, normal maddeden oluşan Güneş’in çekiminden daha güçlü hale gelir. Belbruno ve Green, bu geçişin yaklaşık 30.000 astronomik birimde veya Dünya’dan Güneş’e olan uzaklığın 30.000 katında gerçekleştiğini hesapladı. Bu, Plüton’un mesafesinin çok ötesinde, ancak yine de güneş sistemini çevreleyen ve 100.000 astronomik birime kadar uzanan milyonlarca kuyruklu yıldız kümesi olan Oort Bulutunun içinde.
Bu, karanlık maddenin yerçekiminin, 2017’de başka bir yıldız sisteminden gelen ve iç güneş sisteminden geçen ‘Oumuamua, puro şeklindeki kuyruklu yıldız veya asteroit gibi nesnelerin yörüngesinde bir rol oynamış olabileceği anlamına geliyor. Olağandışı hızlı hızı açıklanabilir. Yazarlar, karanlık maddenin yerçekimi tarafından milyonlarca yıldır onu zorladığını söylüyor.
Güneş sisteminin dış sınırlarında dev bir gezegen varsa, Gezegen 9 veya Gezegen X Bilim adamlarının son yıllarda araştırdığı karanlık madde, yörüngesini de etkileyecekti. Green ve Belbruno, eğer bu gezegen varsa, karanlık madde belki de onu bilim adamlarının şu anda aradığı alandan uzaklaştırabilir. Karanlık madde, bazı Oort Bulutu kuyruklu yıldızlarının Güneş’in yörüngesinden tamamen kaçmasına da neden olmuş olabilir.
Karanlık maddenin yerçekimi ölçülebilir mi?
Karanlık maddenin güneş sistemindeki etkilerini ölçmek için bir uzay aracının o kadar uzağa gitmesi gerekmez. Green ve Belbruno, 100 astronomik birim mesafede, doğru deneye sahip bir uzay aracının astronomların karanlık maddenin etkisini doğrudan ölçmesine yardımcı olabileceğini söyledi.
Spesifik olarak, Pioneer 10 ve 11, Voyagers ve New Horizon’un Güneş’ten çok uzaklara uçmasına izin veren bir teknoloji olan radyoizotop gücü ile donatılmış bir uzay aracı bu ölçümü yapabilir. Böyle bir uzay aracı, yansıtıcı bir top taşıyabilir ve uygun bir mesafeye bırakabilir. Top sadece galaktik kuvvetleri hissedecek, uzay aracı ise galaktik kuvvetlere ek olarak güç sistemindeki çürüyen radyoaktif elementten gelen termal bir kuvvet yaşayacaktı. Termal kuvveti çıkaran araştırmacılar, daha sonra galaktik kuvvetin topun ve uzay aracının ilgili yörüngelerindeki sapmalarla nasıl ilişkili olduğuna bakabilirler. Bu sapmalar, iki nesne birbirine paralel uçarken bir lazerle ölçülecekti.
Bu keşfedilmemiş ortamı keşfetmek için Güneş’ten yaklaşık 500 astronomik birime seyahat etmeyi amaçlayan Yıldızlararası Sonda adlı önerilen bir görev konsepti, böyle bir deney için bir olasılık.
Devasa gökada kümesi Cl 0024+17’nin (ZwCl 0024+1652) Hubble’dan iki görüntüsü gösterilmektedir. Solda, sarımsı gökadalar arasında görünen tuhaf görünümlü mavi yaylarla birlikte görünür ışıktaki görüntü. Bunlar, kümenin çok gerisinde bulunan galaksilerin büyütülmüş ve çarpıtılmış görüntüleridir. Işıkları, kütleçekimsel merceklenme adı verilen bir süreçte kümenin muazzam yerçekimi tarafından bükülür ve güçlendirilir. Sağa, görülen kütleçekimsel mercekli galaksilerin doğasını ve yerleşimini açıklamak için matematiksel olarak gerekli olan ve karanlık madde adı verilen görünmez malzemenin yerini belirtmek için mavi bir gölge eklendi. Kredi: NASA, ESA, MJ Jee ve H. Ford (Johns Hopkins Üniversitesi)
Karanlık madde hakkında daha fazlası
Galaksilerde gizli bir kütle olarak karanlık madde ilk olarak 1930’larda Fritz Zwicky tarafından önerildi. Ancak bu fikir, Vera C. Rubin ve meslektaşlarının, yıldızların galaktik merkezleri etrafındaki hareketlerinin, yalnızca normal madde söz konusu olsaydı, fizik yasalarına uymayacağını doğruladıkları 1960’lara ve 1970’lere kadar tartışmalı kaldı. Yalnızca devasa bir gizli kütle kaynağı, bizimki gibi sarmal gökadaların eteklerindeki yıldızların neden onlar kadar hızlı hareket ettiğini açıklayabilir.
Bugün, karanlık maddenin doğası, tüm astrofizikteki en büyük gizemlerden biridir. gibi güçlü gözlemevleri Hubble uzay teleskobu ve Chandra X-Ray Gözlemevi, bilim adamlarının karanlık maddenin evrendeki etkisini ve dağılımını genel olarak anlamalarına yardımcı oldu. Hubble, karanlık maddesi “” olarak adlandırılan bir etkiye katkıda bulunan birçok galaksiyi araştırdı.merceklemeyerçekiminin uzayı büktüğü ve daha uzak galaksilerin görüntülerini büyüttüğü yer.
Gökbilimciler, en yeni teknoloji harikası teleskoplarla evrendeki karanlık madde hakkında daha fazla bilgi edinecekler. NASA’nın 25 Aralık 2021’de fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu, galaksilerin görüntülerini ve diğer verilerini alarak ve mercekleme etkilerini gözlemleyerek karanlık maddeyi anlamamıza katkıda bulunacak. NASA’nın 2020’lerin ortalarında fırlatılacak olan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu, karanlık maddenin şekilleri ve dağılımları üzerindeki etkisini incelemek için bir milyardan fazla galakside anketler yapacak.
Avrupa Uzay Ajansı’nın NASA’nın katkısı olan yaklaşan Öklid görevi de karanlık maddeyi ve karanlık enerjiyi hedef alacak ve yaklaşık 10 milyar yıl geriye, karanlık enerjinin evrenin genişlemesini hızlandırmaya başladığı bir döneme bakacak. Ve Şili’de yapım aşamasında olan Ulusal Bilim Vakfı, Enerji Bakanlığı ve diğerlerinin bir işbirliği olan Vera C. Rubin Gözlemevi, bu karanlık maddenin gerçek özü bulmacasına değerli veriler ekleyecektir.
Ancak bu güçlü araçlar, karanlık maddenin etkisinin çok daha zayıf olduğu güneş sistemimizden çok daha uzaklarda ve uzak mesafelerde karanlık maddenin güçlü etkilerini aramak için tasarlanmıştır.
Belbruno, “Onu tespit etmek için oraya bir uzay aracı gönderebilseydiniz, bu çok büyük bir keşif olurdu” dedi.
Referans: “Güneş sisteminden ayrılırken: Karanlık madde bir fark yaratır”, Edward Belbruno ve James Green, 4 Ocak 2022, Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri.
DOI: 10.1093/mnras/stab3781