Влияет ли тёмная материя на нашу Солнечную систему?

Тёмная материя пронизывает Солнечную систему, как невидимый туман. Нам просто не хватает средств, чтобы измерить её влияние на тела Солнечной системы.

Тёмная материя — это вещество, которое не поглощает, не отражает и не испускает электромагнитное излучение. Астрономы установили существование тёмной материи по гравитационному влиянию, которое она оказывает на видимую материю. По нашим оценкам, примерно 90% Млечного Пути состоит из тёмной материи. Эта цифра основана главным образом на наблюдениях за движением звёзд. 

Скорость движения отдельных звёзд в галактике пропорциональна количеству содержащегося в ней вещества — чем больше масса, тем выше скорость. Звёзды в Млечном Пути движутся довольно быстро. Даже в месте расположения Земли, примерно на расстоянии двух третей пути от центра галактики до внешней границы нашей галактики, Солнце движется со скоростью около 138 миль (220 километров) в секунду. Видимая материя сама по себе не может объяснить такие высокие скорости. Следовательно, в галактике должно быть гораздо больше материи, чем кажется на первый взгляд.

Именно так впервые было предположено существование тёмной материи в больших (галактических) масштабах. Но может ли тёмная материя аналогичным образом влиять на движение в нашей Солнечной системе и можем ли мы каким-то образом наблюдать её воздействие через взаимодействие с обычной материей?

Давайте подойдём к этому вопросу, рассмотрев движение объектов в Солнечной системе. Солнце, на долю которого приходится 99,8% массы Солнечной системы, оказывает преобладающее гравитационное воздействие на всё, что движется вокруг него. Другими словами, Солнечная система состоит из Солнца и сравнительно небольшого количества посторонних объектов (планет, астероидов и т. д.), разбросанных вокруг него. Таким образом, его масса сильно сконцентрирована в одном объекте и сильно рассредоточена в обширной области вокруг него. 

С другой стороны, тёмная материя, скорее всего, чрезвычайно разрежена и равномерно распределена. Она должна пронизывать Солнечную систему так же, как и галактику, без каких-либо изменений в плотности. Следовательно, внутренние планеты должны испытывать меньшее гравитационное воздействие, чем внешние, поскольку орбиты последних охватывают больше тёмной материи, чем орбиты первых. Если говорить точнее, то, по оценкам астрономов, на движение Земли по орбите должны влиять 10¹³ килограммов тёмной материи, которые она окружает, в то время как орбита Урана содержит 10¹⁶ кг тёмной материи. Хотя эти количества могут показаться нам значительными, они ничтожно малы по сравнению с массами Солнца (2 x 10³⁰ кг), Земли (6 x 10²⁴ кг) и Уран (8,7 x 10²⁵ кг). К сожалению, наблюдение за такими незначительными различиями между орбитами планет с тёмной материей и без неё выходит за рамки наших нынешних возможностей.

Однако, согласно статье Эдварда Белбруно и Джеймса Грина, опубликованной в мартовском номере журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society за 2022 год под названием «Когда вы покидаете Солнечную систему: тёмная материя имеет значение», на удалённые космические аппараты, такие как «Пионеры-10» и «Пионеры-11» или «Вояджеры-1» и «Вояджеры-2», тёмная материя в галактике может оказывать заметное влияние. 

К сожалению, влияние тёмной материи на движение этих объектов станет заметным только после того, как они отойдут от Солнца на расстояние не менее 30 000 астрономических единиц. (Одна астрономическая единица, или а.е., — это среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 93 миллионам миль или 150 миллионам километров. Для сравнения: «Вояджер-1», самый удалённый из всех наших космических аппаратов, в июне 2024 года находился на расстоянии всего 163,8 а. е. от Солнца, и ему потребуется около 8525 лет, чтобы достичь отметки в 30 000 а. е.)

Тем не менее даже 30 000 а. е. находятся в пределах внешней границы Солнечной системы, которая составляет 100 000 а. е. и определяется облаком Оорта. Кроме того, Бельбруно и Грин предполагают, что будущий космический аппарат, находящийся на расстоянии «всего лишь» 100 а. е., может выпустить светоотражающий шар, который будет двигаться по собственной траектории независимо от космического аппарата. Измеряя, как галактические силы или совокупные силы обычной и тёмной материи влияют на движение космического корабля и мяча, учёные могли бы определить, как тёмная материя может вызывать отклонения в их траекториях.

Итак, тёмная материя, скорее всего, действительно заполняет Солнечную систему, как невидимый туман. Нам просто не хватает средств, чтобы измерить её влияние на тела Солнечной системы… пока что.