Dans la conception de cet artiste, le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA a une vue plongeante sur le système solaire. Les cercles représentent les orbites des principales planètes extérieures :Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Lancé en 1977, Voyager 1 a visité les planètes Jupiter et Saturne. Le vaisseau spatial est maintenant à plus de 22 milliards de kilomètres de la Terre, ce qui en fait l'objet fabriqué par l'homme le plus éloigné jamais construit. En fait, Voyager 1 zoome maintenant dans l'espace interstellaire, la région entre les étoiles qui est remplie de gaz, de poussière et de matériaux recyclés à partir d'étoiles mourantes. Crédit :NASA, ESA et G. Bacon (STScI)
Les images de la Voie lactée montrent des milliards d'étoiles disposées en spirale partant du centre, avec du gaz illuminé entre les deux. Mais nos yeux ne peuvent qu'apercevoir la surface de ce qui maintient notre galaxie ensemble. Environ 95 % de la masse de notre galaxie est invisible et n'interagit pas avec la lumière. Il est constitué d'une substance mystérieuse appelée matière noire, qui n'a jamais été directement mesurée.
Maintenant, une nouvelle étude calcule comment la gravité de la matière noire affecte les objets de notre système solaire, y compris les engins spatiaux et les comètes lointaines. Il propose également un moyen d'observer directement l'influence de la matière noire avec une future expérience. L'article est publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
"Nous prévoyons que si vous sortez assez loin dans le système solaire, vous avez en fait la possibilité de commencer à mesurer la force de la matière noire", a déclaré Jim Green, co-auteur de l'étude et conseiller du Bureau du scientifique en chef de la NASA. "C'est la première idée de comment le faire et où nous le ferions."
La matière noire dans notre jardin
Ici sur Terre, la gravité de notre planète nous empêche de voler hors de nos chaises, et la gravité du Soleil maintient notre planète en orbite selon un calendrier de 365 jours. Mais plus un vaisseau spatial vole loin du Soleil, moins il ressent la gravité du Soleil, et plus il ressent une autre source de gravité :celle de la matière du reste de la galaxie, qui est majoritairement de la matière noire. La masse des 100 milliards d'étoiles de notre galaxie est minuscule par rapport aux estimations de la teneur en matière noire de la Voie lactée.
Pour comprendre l'influence de la matière noire dans le système solaire, l'auteur principal de l'étude, Edward Belbruno, a calculé la "force galactique", la force gravitationnelle globale de la matière normale combinée à la matière noire de toute la galaxie. Il a découvert que dans le système solaire, environ 45 % de cette force provient de la matière noire et 55 % provient de la « matière baryonique » normale. Cela suggère une répartition à peu près moitié-moitié entre la masse de matière noire et la matière normale dans le système solaire.
"J'ai été un peu surpris par la contribution relativement faible de la force galactique due à la matière noire ressentie dans notre système solaire par rapport à la force due à la matière normale", a déclaré Belbruno, mathématicien et astrophysicien à l'Université de Princeton et à l'Université Yeshiva. "Cela s'explique par le fait que la majeure partie de la matière noire se trouve dans les parties extérieures de notre galaxie, loin de notre système solaire."
Une grande région appelée « halo » de matière noire encercle la Voie lactée et représente la plus grande concentration de matière noire de la galaxie. Il y a peu ou pas de matière normale dans le halo. Si le système solaire était situé à une plus grande distance du centre de la galaxie, il ressentirait les effets d'une plus grande proportion de matière noire dans la force galactique car il serait plus proche du halo de matière noire, ont déclaré les auteurs.
Comment la matière noire peut influencer les engins spatiaux
Green et Belbruno prédisent que la gravité de la matière noire interagit très légèrement avec tous les engins spatiaux que la NASA a envoyés sur des trajectoires sortant du système solaire, selon la nouvelle étude.
"Si les engins spatiaux se déplacent suffisamment longtemps dans la matière noire, leurs trajectoires sont modifiées, et il est important d'en tenir compte lors de la planification de certaines missions futures", a déclaré Belbruno.
Ces engins spatiaux peuvent inclure les sondes Pioneer 10 et 11 à la retraite qui ont été lancées en 1972 et 1973, respectivement; les sondes Voyager 1 et 2 qui explorent depuis plus de 40 ans et sont entrées dans l'espace interstellaire; et le vaisseau spatial New Horizons qui a survolé Pluton et Arrokoth dans la ceinture de Kuiper.
Mais c'est un tout petit effet. Après avoir parcouru des milliards de kilomètres, la trajectoire d'un vaisseau spatial comme Pioneer 10 ne dévierait que d'environ 1,6 mètre (5 pieds) en raison de l'influence de la matière noire. "Ils ressentent l'effet de la matière noire, mais elle est si petite que nous ne pouvons pas la mesurer", a déclaré Green.
Deux vues de Hubble de l'amas massif de galaxies Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) sont présentées. À gauche se trouve la vue en lumière visible avec des arcs bleus étranges apparaissant parmi les galaxies jaunâtres. Ce sont les images agrandies et déformées des galaxies situées loin derrière l'amas. Leur lumière est courbée et amplifiée par l'immense gravité de l'amas dans un processus appelé lentille gravitationnelle. À droite, un ombrage bleu a été ajouté pour indiquer l'emplacement d'un matériau invisible appelé matière noire qui est mathématiquement nécessaire pour rendre compte de la nature et de l'emplacement des galaxies à lentille gravitationnelle qui sont vues. Crédit :NASA, ESA, M.J. Jee et H. Ford (Université Johns Hopkins
Où la force galactique prend-elle le dessus ?
A une certaine distance du Soleil, la force galactique devient plus puissante que l'attraction du Soleil, qui est faite de matière normale. Belbruno et Green ont calculé que cette transition se produit à environ 30 000 unités astronomiques, soit 30 000 fois la distance de la Terre au Soleil. C'est bien au-delà de la distance de Pluton, mais toujours à l'intérieur du nuage d'Oort, un essaim de millions de comètes qui entoure le système solaire et s'étend jusqu'à 100 000 unités astronomiques.
Cela signifie que la gravité de la matière noire aurait pu jouer un rôle dans la trajectoire d'objets comme "Oumuamua, la comète ou l'astéroïde en forme de cigare qui est venu d'un autre système stellaire et a traversé le système solaire interne en 2017. Sa vitesse inhabituellement rapide pourrait s'expliquer par la gravité de la matière noire qui la pousse pendant des millions d'années, disent les auteurs.
S'il y a une planète géante dans les confins du système solaire, un objet hypothétique appelé Planète 9 ou Planète X que les scientifiques ont recherché ces dernières années, la matière noire influencerait également son orbite. Si cette planète existe, la matière noire pourrait peut-être même la repousser de la zone où les scientifiques la recherchent actuellement, écrivent Green et Belbruno. La matière noire a peut-être aussi fait que certaines des comètes du nuage d'Oort ont complètement échappé à l'orbite du Soleil.
La gravité de la matière noire pourrait-elle être mesurée ?
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.
