太阳系中有暗物质吗？它对天体有何影响？
银河系的照片显示，成百上千亿颗恒星以螺旋状排列，从中心向外辐射，中间是发光的气体。但我们只能看见星系的表面，银河系大约95%的质量是不可见的，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观测到过。
现在，一项新的研究计算出暗物质的引力是如何影响我们太阳系中的物体的，包括飞船和遥远的彗星。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，那么你就有可能探测到暗物质的引力，”研究合著者、美国宇航局首席科学家办公室顾问吉姆·格林说。“这是第一个关于如何做以及在哪里做的想法。”
我们后院的暗物质
在地球上，地球的引力使我们不会从椅子上飞起来，而太阳的引力使我们的地球以365天为周期运行。但是，航天器飞得离太阳越远，它感受到的太阳引力就越少，感受到的其他引力来源就越多：来自星系其他部分的物质，主要是暗物质。我们银河系1000亿颗恒星的质量与银河系暗物质含量相比显得微不足道。
为了了解暗物质在太阳系中的影响，该研究的主要作者爱德华·贝尔布鲁诺计算了“星系引力”，即来自整个星系的正常物质与暗物质结合产生的整体引力。他发现，在太阳系中，大约45%的这种力来自暗物质，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致对半儿开。
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说：“与正常物质相比，我们太阳系中暗物质产生的星系引力的贡献相对较小，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围，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。光晕中几乎没有正常物质。作者说，如果太阳系离星系中心的距离更远，它将感受到更大比例的暗物质在星系引力中的影响，因为它将更接近暗物质晕。
暗物质如何影响航天器
根据这项新研究，格林和贝尔布鲁诺预测，暗物质的引力与美国宇航局发射到太阳系外的所有航天器都有轻微的相互作用。
贝尔布鲁诺说：“如果航天器在暗物质中移动的时间足够长，它们的轨迹就会改变，这对于未来某些任务的规划很重要。”
这种航天器可能包括分别在1972年和1973年发射的已退役的先驱者10号和11号探测器；旅行者1号和2号探测器已经 探索 了40多年，已经进入了星际空间；以及飞越过冥王星和柯伊伯带的新视野号探测器。
但这是一个很小的影响。在飞行了数十亿英里后，像先驱者10号这样的航天器，它的路径由于暗物质的影响只会偏离约1.6米。“它们确实能感觉到暗物质的影响，但它太小了，我们无法测量，”格林说。
银河引力的控制范围有多大？
在离太阳一定距离时，银河的引力就会比由普通物质构成的太阳的引力更大。贝尔布鲁诺和格林计算出这种转变发生在大约3万个天文单位（AU），即地球到太阳距离的3万倍。这远远超过了冥王星的距离，但仍处于奥尔特云的内部。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10万个天文单位的地方。
这意味着暗物质的引力可能在“奥陌陌”等物体的轨迹中发挥了作用。“奥陌陌”是一颗雪茄形状的彗星或小行星，来自另一个恒星系统，于2017年穿过太阳系内部。作者说，它异常快的运动速度可以解释为暗物质的引力对它长达数百万年之久的推动。
如果在太阳系的外围有一颗巨大的行星，也就是科学家近年来一直在寻找的一颗被称为“第九行星”或“X行星”的假想天体，暗物质也会影响它的轨道。格林和贝尔布鲁诺写道，如果这颗行星确实存在，暗物质甚至可能会把它从科学家目前正在寻找的地方推离。暗物质也可能导致奥尔特云中的一些彗星完全逃离太阳的轨道。
暗物质的引力可以被测量吗？
要测量太阳系中暗物质的影响，航天器不一定要飞那么远。格林和贝尔布鲁诺说，在100个天文单位的距离上，探测器就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，这种技术已经允许先锋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。球只会受到星系引力的影响，而航天器除了受到星系引力外，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引力与地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”的计划有可能进行这一实验，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。
关于暗物质
暗物质作为一种隐藏在星系中的物质，在20世纪30年代由弗里茨·兹威基首次提出。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·鲁宾和同事证实，如果只涉及正常物质，恒星围绕星系中心的运动就不符合物理定律。只有一个巨大的隐藏的质量来源，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这么快。（译者注：即星系旋转曲线问题）
今天，暗物质的本质是所有天体物理学中最大的谜团之一。哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台等帮助科学家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，这些星系的暗物质会产生一种叫做“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。
天文学家将通过最新的最先进的望远镜了解宇宙中的暗物质。NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年12月25日发射，它将通过拍摄星系的图像和其他数据，并观察它们的透镜效应，从而帮助我们理解暗物质。美国国家航空航天局罗曼空间望远镜将于本世纪20年代中期发射，它将对超过10亿个星系进行调查，以观察暗物质对它们形状和分布的影响。
欧洲航天局（ESA）即将进行的欧几里得任务也将以暗物质和暗能量为目标，回顾100亿年前暗能量开始加速宇宙膨胀的时期。鲁宾天文台是美国国家科学基金会、美国能源部和其他机构的合作项目，正在智利建设，它将为暗物质的本质之谜提供有价值的数据。
这些强大的工具被设计用来寻找很远距离上的暗物质影响，比我们太阳系的更远，因为在太阳系里暗物质的影响要弱得多。
贝尔布鲁诺说：“如果你能发射一个航天器去探测它，相信将会有大发现。”
