¿Cómo se podría medir la materia oscura en el Sistema Solar?

 

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 de cómo podría observarse directamente la influencia de la materia oscura, con un futuro experimento. El artículo se ha publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

“Predecimos que si te alejas lo suficiente en el sistema solar, tendrás la oportunidad de comenzar a medir la fuerza de la materia oscura”, dijo Jim Green, coautor del estudio y asesor de la Oficina de la Chief Scientist de la NASA. “Esta es la primera idea de cómo hacerlo y dónde lo haríamos”.

Aquí en la Tierra, la gravedad de nuestro planeta evita que salgamos volando al espacio, y la gravedad del Sol mantiene a nuestro planeta en órbita en giros de 365 días. Pero cuanto más se aleja una nave espacial del Sol, menos atracción gravitacional le une al Sol y por ello, experimentará 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 total 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 de la masa de materia oscura y la mitad de 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 afecta a nuestro sistema solar en comparación con la fuerza debida a la materia normal”, dijo Belbruno, matemático y astrofísico de la Universidad de Princeton y de 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”.

Los autores postularon que una gran región de materia oscura llamada “halo” 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, estaría afectado en mayor proporción por los efectos de la materia oscura de la galaxia, ya que estaría más cerca del halo de materia oscura.

Green y Belbruno predicen que la gravedad de la materia oscura interactúa muy levemente con todas las naves espaciales que la NASA ha enviado fuera del sistema solar, según el nuevo estudio.

“Si las naves espaciales se mueven un tiempo suficiente a través de la materia oscura, sus trayectorias cambian, y es importante tener esto en cuenta para la planificación de ciertas misiones futuras”, dijo Belbruno.

Entre las naves espaciales afectadas, se podría incluir las sondas Pioneer 10 y 11 (ya 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 volado cerca de Plutón y de Arrokoth en el Cinturón de Kuiper.

Pero el efecto es diminuto. Después de viajar miles de millones de kilómetros, la trayectoria de una nave espacial como la Pioneer 10, solo se desviaría 1,6 metros debido a la influencia de la materia oscura. “Se ven afectadas por el efecto de la materia oscura, pero es tan pequeño que no podemos medirlo”, dijo Green.

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 a alrededor de 30.000 unidades astronómicas (una unidad astronómica es, aproximadamente, la distancia de la Tierra al Sol), lo que supone a una distancia más allá de la 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).

Según los autores, 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 que pasó por el sistema solar interior en 2017. Su velocidad inusualmente rápida podría explicarse como consecuencia de la gravedad de la materia oscura, impulsándola durante millones de años.

Green y Belbruno creen que 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 existiese, la materia oscura podría alejarlo del área donde los científicos lo están buscando actualmente. La materia oscura también puede haber causado que algunos de los cometas de la Nube de Oort hayan escapado por completo de la órbita del Sol.

Para medir los efectos de la materia oscura en el sistema solar, una nave espacial no necesariamente tendría que viajar tan lejos. A una distancia de 100 unidades astronómicas, una nave espacial con un experimento adecuado, podría ayudar a los astrónomos a medir directamente la influencia de la materia oscura, como explican Green y Belbruno.

Específicamente, una nave espacial equipada con energía de radioisótopos (una tecnología que ha permitido que Pioneer 10 y 11, Voyagers y New Horizon vuelen muy lejos del Sol), podría realizar esta medición. Una nave espacial de este tipo podría llevar una bola reflectante y soltarla a una distancia apropiada. La bola solo sufriría fuerzas galácticas, mientras que la nave espacial experimentaría, además de las fuerzas galácticas, una fuerza térmica provocada por el elemento radiactivo en descomposición en su sistema de energía. Restando la fuerza térmica, los investigadores podrían observar cómo la fuerza galáctica está implicada con las desviaciones en las trayectorias de la pelota y la nave espacial. Esas desviaciones se medirían con un láser a medida que los dos objetos vuelan separados.

Existe una propuesta de misión llamada Sonda Interestelar, que tiene como objetivo viajar a unas 500 unidades astronómicas del Sol para explorar ese entorno desconocido, es una posibilidad para tal experimento.

a materia oscura, como masa oculta en las galaxias, fue propuesta por primera vez en la década de 1930 por Fritz Zwicky. Pero la idea siguió siendo controvertida hasta las décadas de 1960 y 1970, cuando Vera C. Rubin y sus colegas confirmaron que los movimientos de las estrellas alrededor de sus centros galácticos no seguirían las leyes de la física si solo estuviera involucrada la materia normal. Solo una enorme fuente oculta de masa puede explicar por qué las estrellas en las afueras de las galaxias espirales, como la nuestra, se mueven tan rápido como lo hacen.

Hoy en día, la naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores misterios de toda la astrofísica. Grandes observatorios como el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de Rayos X Chandra, han ayudado a los científicos a comenzar a comprender la influencia y distribución de la materia oscura en el universo en general. El Hubble ha explorado muchas galaxias cuya materia oscura contribuye a un efecto llamado “lente“, donde la gravedad dobla el espacio y aumenta las imágenes de galaxias más distantes.

Los astrónomos aprenderán más sobre la materia oscura en el cosmos con el nuevo conjunto de telescopios de última generación. El telescopio espacial James Webb de la NASA, que se lanzó el 25 de diciembre de 2021, contribuirá, tomando imágenes y otros datos de las galaxias y observar sus efectos de lentes, a nuestra comprensión de la materia oscura. El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que se lanzará a mediados de la década de 2020, realizará estudios de más de mil millones de galaxias para observar la influencia de la materia oscura en sus formas y distribuciones.

La próxima misión Euclid de la Agencia Espacial Europea, que cuenta con una contribución de la NASA, también estudiará la materia y la energía oscura, mirando unos 10 mil millones de años atrás, hasta un período en el que la energía oscura comenzó a acelerar la expansión del universo. Y el Observatorio Vera C. Rubin (una colaboración de la National Science Foundation, el Department of Energy y otros) que está en construcción en Chile, añadirá datos valiosos a este rompecabezas de la verdadera naturaleza de la materia oscura.

Estas poderosas herramientas están diseñadas para buscar los fuertes efectos de la materia oscura a grandes distancias y mucho más lejos que en nuestro sistema solar, donde la influencia de la materia oscura es mucho más débil.

“Si pudieras enviar una nave espacial para detectarlo, sería un gran descubrimiento”, dijo Belbruno.

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