如何在太阳系中测量暗物质

银河系的照片显示，数十亿颗恒星以螺旋状排列，从中心向外辐射，中间是发光的气体。但我们的眼睛只能看见将银河系维系在一起的表面。银河系大约95%的质量的物体是不可见的，并且不会与光相互作用。它是由一种叫做暗物质的神秘物质构成的，这种物质从未被直接测量过。

现在，一项新的研究计算出暗物质的引力是如何影响太阳系中的物体的，包括宇宙飞船和遥远的彗星。它还提出了一种方法，可以在未来的实验中直接观察到暗物质的影响。这篇文章发表在《皇家天文学会月报》上。

“我们预测，如果你在太阳系中走得足够远，你实际上有机会测量暗物质力量，”该研究的共同作者兼美国国家航空航天局首席科学家办公室顾问吉姆·格林( Jim Green )说。”这是一个关于如何做及我们将在哪里做的想法。”

我们后院中的暗物质

在地球上，地球的引力使我们不会从椅子上飞起来，而太阳的引力使地球以365天为周期运行。但是，宇宙飞船飞得离太阳越远，就越感觉不到太阳的引力，就越能感觉到不同的引力源：来自星系其他部分的物质，其中主要是是暗物质。银河系的1000亿颗恒星的质量与银河系的暗物质含量相比微不足道。

为了理解暗物质对太阳系的影响，该研究的主要作者爱德华·贝尔布鲁诺( Edward Belbruno ) 计算了“银河系力”，即整个星系中正常物质与暗物质的总引力。他发现：在太阳系中，大约45% 的力量来自暗物质，55% 来自正常的所谓的“重子物质”，这表明：在太阳系中暗物质和普通物质的质量大约是各占一半。

普林斯顿大学和叶史瓦大学的数学家和天体物理学家贝尔布鲁诺( Belbruno )说:“与正常物质引起的力相比，暗物质对银河系力的贡献相对较小，这让我有点惊讶。”。“这可以解释为，大多数暗物质都位于银河系的外部，远离我们的太阳系。”

银河系周围环绕着一大片被称为“晕”的暗物质区域，是银河系暗物质最集中的区域。光晕中几乎没有或根本没有正常物质。作者说，如果太阳系离星系中心的距离更远，它会感觉到银河系力中更大比例的暗物质的影响，因为它会更接近暗物质晕。

在这幅艺术家的构想图中，NASA的旅行者1号宇宙飞船鸟瞰了太阳系。这些圆圈代表了主要的外行星的轨道:木星、土星、天王星和海王星。1977年发射的旅行者1号曾访问过木星和土星。这艘宇宙飞船现在距离地球130亿英里，是迄今为止距离地球最远、移动速度最快的人造物体。事实上，旅行者1号正在正在星际空间中快速移动，星际空间是恒星之间的区域，充满了气体、尘埃和从垂死恒星中回收的物质。 资料来源:NASA、ESA、G.培根( STScI )

暗物质如何影响航天器

根据这项新研究，格林( Green )和贝尔布鲁诺( Belbruno )预测，暗物质的引力与 NASA 发射到太阳系外的所有航天器都有轻微的相互作用。

“如果航天器在暗物质中运动足够长的时间，它们的轨迹就会改变，这对于考虑某些未来任务的任务规划非常重要，”贝尔布鲁诺( Belbruno )说。

这种航天器可能包括分别于1972年和1973年发射的退役先驱者10号和11号探测器、已探索宇宙40多年并进入星际空间的旅行者1号和旅行者2号探测器、以及在柯伊伯带( Kuiper Belt )飞越冥王星和阿罗科特( Arrokoth )的新地平线号航天器。

但这是一个微小的影响。在行驶了数十亿英里之后，由于暗物质的影响，像先驱者10号这样的航天器的路径只会偏离约5英尺（1.6米）。”他们确实感受到了暗物质的影响，但影响太小了，我们无法测量它，”格林( Green )说。

银河系的力量在哪里管控？

在离太阳一定的距离时，银河系的力量变得比太阳的引力更强大，太阳是由正常物质组成的。格林( Green )和贝尔布鲁诺( Belbruno )计算出，这种转变发生在大约30，000天文单位的地方，或者说是在从地球到太阳的距离的30，000倍时。这远远超出了冥王星的距离，但仍然在奥尔特云内部，奥尔特云是一个由数百万颗彗星组成的群体，围绕着太阳系，一直延伸到10万个天文单位。

这意味着暗物质的引力可能在诸如“奥陌陌”( Oumuamua )等这样的天体的轨道中发挥了作用。“奥陌陌”( Oumuamua )是雪茄形的彗星或小行星，来自另一个恒星系统，并于2017年穿过内太阳系。作者说，它异乎寻常的快速度可以解释为暗物质的引力对它的推动长达数百万年之久。

如果在太阳系的外围存在一颗巨大的行星—- 科学家们近年来一直在寻找一颗假想的被称为行星9或行星 x 的物体—- 暗物质也会影响它的轨道。格林( Green )和贝尔布鲁诺( Belbruno )写道: 如果这颗行星真的存在，暗物质甚至可能会把它从科学家目前正在寻找的地方推开。暗物质也可能导致奥尔特云中的一些彗星完全逃离了太阳的轨道。

暗物质的引力可以被测量吗？

为了测量太阳系中暗物质的影响，航天器不一定要行驶那么远。格林( Green )和贝尔布鲁诺( Belbruno )说，在100个天文单位的距离上，通过正确的实验，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，一艘配备了放射性同位素能量的航天器可能能够进行这一测量，这种技术已经支持先驱者10号和11号、旅行者号和新地平线号飞到离太阳很远的地方。这样的航天器可以携带一个反射球，并将其投到适当的距离。球只会受到星系力的影响，而航天器除了受到星系力影响之外，还会受到动力系统中衰变的放射性元素产生的热力的影响。除去热力，研究人员可以观察星系力与球和航天器各自轨迹的偏差之间的关系。当两个物体平行飞行时，可以用激光测量这些偏差。

一项名为“星际探测器”( Interstellar Probe )的计划是进行此类实验的一种可能，该计划的目标是从太阳到大约500个天文单位的地方，探索未知的环境。

这是从哈勃望远镜观察到的大质量星系团 Cl 0024 + 17(ZwCl 0024 + 1652)的两幅图像。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形。这些是位于星系团后面很远的星系的放大和扭曲的图像。它们发出的光被星系团巨大的引力所弯曲和放大，这个过程被称为引力透镜。在右边，添加了一个蓝色阴影，来表明不可见物质的位置，称为暗物质，这在数学上是用来解释被观察到的引力透镜星系的性质和位置的。 来源: NASA，ESA，约翰·霍普金斯大学/盖蒂图片社( m.j. Jee and h. Ford )

更多关于暗物质的信息

暗物质作为星系中的隐藏物质，最初是由 弗里茨 · 兹维基( Fritz Zwicky )在20世纪30年代提出的。但这个想法一直存在争议，直到20世纪60年代和70年代，维拉·C·鲁宾( Vera C. Rubin )和他的同事们证实，如果只涉及正常物质，恒星围绕银河系中心的运动就不会遵循物理定律。只有一个巨大的隐藏质量来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，暗物质的本质是所有天体物理学中最大的谜团之一。哈勃太空望远镜( Hubble Space Telescope )和钱德拉x射线天文台( Chandra X-Ray Observatory )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。哈勃望远镜已经探索了许多星系，这些星系的暗物质促成了一种被称为“透镜效应”的效应，在这种效应下，引力会使空间本身弯曲，并放大更遥远星系的图像。

天文学家将通过一套最新最先进的望远镜更细致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( James Webb Space Telescope )于2021年12月25日发射，将通过拍摄星系的图像和其他数据并观察星系的透镜效应，从而帮助我们理解暗物质。NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜( Nancy Grace Roman Space Telescope )将于本世纪20年代中期发射，它将对超过十亿个星系进行调查，以观察暗物质对星系形状和分布的影响。

ESA( European Space Agency )即将进行的欧几里得任务( Euclid mission )也将以暗物质和暗能量为目标，回顾约100亿年前暗能量开始加速宇宙膨胀的时期。而由美国国家科学基金会( National Science Foundation )、能源部( Department of Energy )和其他机构合作的维拉·C·鲁宾天文台( Vera C. Rubin Observatory )正在智利建设，它将为暗物质的真正本质之谜提供有价值的数据。

但是这些强大的工具旨在寻找暗物质的强大影响，它可以跨越很远的距离，比太阳系要远得多。因为太阳系中暗物质的影响要弱得多。

贝尔布鲁诺( Belbruno )说:“如果你能发射一个宇航器去探测它，那将是一个巨大的发现。”