Mörk materia är konstiga, mystiska saker. Det kan utgöra så mycket som 85 procent av universums massa, och dess gravitation påverkar allt runt omkring. Men vi kan inte se det med våra blotta ögon. Vi har aldrig direkt observerat det med något av våra instrument, på jorden eller när vi zoomat genom rymden på någon sond.
Nu har ett schweiziskt team utarbetat en spännande plan – ett möjligt sätt att få en mycket mer exakt läsning av mörk materia. Det innebär att skjuta sonder mot de mest avlägsna planeterna i vårt solsystem, Uranus och Neptunus, och noggrant logga varje kraft som drar på deras banor. Om vi subtraherar känd krafter – gravitationskraften från varje närliggande planet, måne och asteroid – det som finns kvar borde vara effekten av mörk materia.
Det är en ”unik möjlighet” att ”förbättra mätningarna av standardgravitationsparametrarna i solsystemet”, skrev Lorenz Zwick och hans team från Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology vid University of Zurich i en ny peer-reviewed studie som dök upp online den 22 april.
Den schweiziska planen ser bra ut på papperet. I praktiken kanske det dock inte är möjligt att separera kraften hos mörk materia som verkar på en sond från, säg, kraften från någon omartad asteroid – eller ens en lös kontakt i sonden som släpper ut strålning i rymden. Med andra ord, vi kanske inte vet tillräckligt om saken vi burk se till att börja dra slutsatser om saken vi kan inte ser.
Den pågående teorin är att mörk materia inte interagerar med elektromagnetiska fält på samma sätt som synlig materia gör. Det varken absorberar ljus eller reflekterar det. Men vi är ganska säkra på att den finns där. Utan det är universum inte vettigt. Planeter och stjärnsystem och hela galaxer beter sig som om de väger nästan dubbelt som deras synliga massa verkar antyda. Det finns mycket mer gravitationskraft än vi kan redogöra för bara genom att lägga ihop massan av föremål i rymden.
Gapet mellan vad vi kan se och vad vi tror finns där blev först uppenbart i början av 1900-talet. Gapet blev större när våra instrument blev bättre. I slutet av 1960-talet, Seth Shostak, en astronom nu mest känd för sitt arbete med SETI—sökandet efter utomjordisk intelligens—använde en radioteleskoparray i Kalifornien för att fastställa att vissa galaxer snurrade snabbare än vad deras synliga stjärnor angav att de skulle göra. Shostak förmodade senare att galaxerna hade massa som vi inte direkt kunde observera.
Idag är mörk materia en integrerad del av astronomi. Men det betyder inte att vi förstår det särskilt väl. För det första vet vi inte hur jämnt det är fördelat. Det är möjligt att mörk materia är tätare inuti ett stjärnsystem än vad det är på de stora avstånden mellan systemen. Det är också möjligt att mörk materia har konturer inuti ett stjärnsystem.
Zwicks nära undersökning av vårt eget system kan hjälpa oss att besvara den frågan, med möjliga följdeffekter inom rymdvetenskapen. ”Att sträva efter nya vägar som det som föreslås här ser väldigt spännande ut,” sa Priyamvada Natarajan, en Yale-astronom som specialiserat sig på kartläggning av mörk materia och inte var inblandad i University of Zurich-studien, till The Daily Beast.
Vi kanske till och med kan avgöra om vårt solsystem, eller till och med bara vårt hörn av solsystemet, är speciellt. ”Våra nuvarande förväntningar på [dark matter] densiteten på jorden är baserad på observationer av stjärnor runt galaxen, kombinerat med antagandet att jorden befinner sig i en ganska typisk del av galaxen för dess avstånd från det galaktiska centrumet, säger Tracy Slatyer, docent vid Centrum för teoretisk fysik på Massachusetts Institute of Technology som inte var inblandad i studien, berättade för The Daily Beast. ”Det skulle vara fantastiskt om vi kunde testa det antagandet.”
Zwicks idé är att skjuta upp en sond – eller ett par sonder – mot de största objekten längst bort i solsystemet: de iskalla planeterna Uranus och Neptunus.
”Endast Uranus och Neptunus är förnuftiga mål eftersom mätningen är känslig för den totala inneslutna massan av mörk materia mellan solen och rymdfarkosten,” förklarade Zwick till The Daily Beast. Med andra ord, ju längre bort målen för dina sonder är, desto mer mörk materia måste sonderna färdas genom – och desto mer data kan de hjälpa till att samla in.
Styrenheter på marken följde noggrant sonderna och noterade varje liten förändring i kurs och hastighet. Att logga dessa förändringar är faktiskt hela poängen. Var och en antyder gravitationens inverkan – från en planet eller måne eller asteroid eller något.
Eller kanske till och med från mörk materia. ”Närvaron av [dark matter] skulle producera en radiell kraft som är proportionell mot den inneslutna massan inom rymdfarkostens omloppsbana”, skrev teamet från University of Zürich.
Om Zwicks team eller andra forskare kunde skicka sonder till ytterkanterna av vårt system och hålla reda på dem i ett decennium eller så – och ja, Zwick har speciella sonder i åtanke som kan lanseras under de kommande 15 åren – kan de ha tillräckligt med data att börja sålla bort de uppenbara influenserna på sondernas resor. Det som finns kvar kan vara bevis på mörk materia.
Vissa experter på mörk materia är skeptiska till planen – men kanske inte av de uppenbara skälen. Kostnad och teknik, de vanliga hindren för ett nytt rymduppdrag, är egentligen inte problemet. När allt kommer omkring skulle Zwicks undersökning faktiskt inte kräva sin egen rymdfarkost. Eftersom allt som forskare av mörk materia behöver göra är att spåra en sond eller två och bygga en modell av gravitationskrafter på dem, kommer alla sonder att göra så länge de reser tillräckligt långt.
Så det är mest meningsfullt att piggyback på befintliga rymdfarkoster. Justera bara radiolänken för bättre telemetridata, så är du redo att undersöka lokal mörk materia. ”På sätt och vis är vi bara liftare,” sa Zwick.
De kanske bästa kandidaterna är ett par sonder som NASA vill skicka till Uranus och Neptunus i slutet av 2030-talet. Rymdorganisationen har inte helt engagerat sig i sonderna ännu, så det finns ingen tydlig uppfattning om vilka instrument de kan bära eller exakt när de kan starta. Mark Hofstadter, en planetforskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Kalifornien, stressad ”vikten av att utforska åtminstone en av dessa planeter och hela dess miljö, som inkluderar överraskande dynamiska isiga månar, ringar och bisarra magnetfält.”
Zwick och företaget gör redan en övergång till NASA. ”Om vi kan göra ett tillräckligt starkt argument och övertyga tillräckligt många människor, hoppas vi att idén kommer att bli en snöboll och att förbättring av radiolänken kommer att bli en prioritet i uppdragsplaneringen,” sa Zwick.
Men även om NASA loggar på utan dröjsmål, kan andra komplikationer döma Zwicks uppdrag med mörk materia.
Till att börja med är det möjligt att mörk materias inflytande på en sond, till och med en långt flygande, skulle vara riktigt, riktigt subtil. Kanske för subtilt för att skilja från ett avrundningsfel i våra beräkningar av kända gravitationspåverkan. ”Det finns inget sätt som jag känner till att få den känslighet som behövs för att mäta mörk materia i solsystemet enbart genom dess gravitationseffekter om inte densiteten [of dark matter] är mycket högre än vi förväntar oss”, varnade Slatyer.
Sedan finns det utsikter till okända gravitationskrafter som är det inte mörk materia. Så mycket som Zwicks föreslagna projekt är en fråga om subtraktion, är det helt avgörande att vi förstår alla siffror. En tidigare okänd styrka, till och med en liten sådan, skulle kunna kasta av sig hela projektet. ”Precisionen man behöver uppnå vid bestämning av rörelser hos testobjekt i gravitationsfältet är… mycket hög,” Francisco-Shu Kitaura, en astrofysiker vid Institutet för Astrofysik på Kanarieöarna och University of La Laguna som var t involverad i studien, berättade för The Daily Beast. Till och med Zwick och hans team medgav att deras förslag bara skulle fungera ”om alla krafter som verkar på den verkliga rymdfarkosten är helt modellerade.”
Ofullständig modellering låg bakom en av de tidigaste besvikelserna med mörk materia. 1972 lanserades NASA:s Pioneer-sond på ett uppdrag till Jupiter. Styrenheter upptäckte en liten oplanerad acceleration. För ett berusande ögonblick trodde vissa forskare att det var bevis på att mörk materia drog i farkosten. De hade fel. ”Till slut insåg folk att rymdfarkosten sänder ut termisk strålning … vilket fick den att avvika något från sin bana,” påminde Zwick.
Naturligtvis är det inte 1972 längre. Vår teknik är bättre. Och när det kommer till mörk materia har vi en tydligare känsla för vad vi letar efter. Kanske Zwicks uppdrag att kartlägga osynliga saker, förutsatt att det går framåt, kommer att misslyckas eftersom vi inte har tagit hänsyn till alla synlig grejer… ännu.
Men det skulle fortfarande vara en undersökning eller två i rätt riktning.
Inlägget Ett uppdrag till Uranus och Neptunus är vårt bästa hopp för att hitta mörk materia dök upp först The Daily Beast.
