銀河系的圖片顯示，數十億顆恆星以螺旋狀排列並從中心向外輻射，其中間有發光的氣體。但我們的眼睛只能瞥見支撐我們銀河系的表面。我們銀河系約95%的質量是看不見的，它們不會跟光發生作用。其是由一種叫做暗物質的神秘物質構成，這種物質從來沒有被直接測量過。
現在，一項新研究計算了暗物質的引力如何影響我們太陽系的物體，其中包括航天器和遙遠的彗星。另外，它還提出了一種方法，即暗物質的影響可以通過未來的實驗直接觀察。這篇文章發表在《Monthly Notices of Royal Astronomical Society》上。
“我們預測，如果你在太陽系中走得足夠遠，那麼你實際上有機會開始測量暗物質的力量，”這項研究報告的論文共同作者和NASA首席科學家辦公室的顧問Jim Green說道，“這是關於如何做以及我們在哪裡做的第一個想法。”
我們後院的暗物質
在地球上，我們星球的引力使我們不會從椅子上飛起來，而太陽的引力會使我們的星球按365天的時間表運行。但航天器離太陽越遠，它對太陽引力的感受也就越少，但對另一種引力來源的感受則越多：來自銀河系其他地方的物質的引力，這主要是暗物質。跟對銀河系暗物質含量的估計相比，我們銀河系1000億顆恆星的質量是微不足道的。
為了了解暗物質在太陽系中的影響，研究的論文第一作者Edward Belbruno計算了“星系力”，即正常物質跟整個星系的暗物質相結合的整體引力。他發現，在太陽系中，約45%的力量來自暗物質，55%來自正常的、所謂的 “重子物質”。這表明太陽系中的暗物質和正常物質的質量大致各佔一半。
普林斯頓大學和耶希瓦大學的數學家和天體物理學家Belbruno說道：“我對太陽系中感受到的暗物質導致的星系力的貢獻相對較小感到有點驚訝。這可以解釋為大部分暗物質都在我們銀河系的外圍並遠離我們的太陽系。”
一個被稱為暗物質“光環”的大區域環繞着銀河系，其代表着銀河系暗物質的最大集中。暈中幾乎沒有正常物質。研究人員支出，如果太陽系位於離銀河系中心更遠的地方，它將感受到銀河系中更大比例的暗物質的影響，因為它將更靠近暗物質光環。
暗物質可能如何影響航天器
根據這項新的研究，Green和Belbruno預測，暗物質的引力會跟NASA派出的所有航天器在通往太陽系外的路徑上發生輕微的互動。
Belbruno說道：“如果航天器在暗物質中移動的時間足夠長，它們的軌跡就會被改變，這對於某些未來任務的任務規劃來說是非常重要的。”
這樣的航天器可能包括分別於1972年和1973年發射的退役的先驅者10號(Pioneer 10)和先驅者11號(Pioneer 11)、已經探索了40多年並進入星際空間的旅行者1號(Voyager 1)和旅行者2號(Voyager 2)探測器、已經飛過冥王星和柯伊伯帶的Arrokoth的新視野號(New Horizons)飛船。
但這是一個微小的影響。在行駛了數十億英里之後，由於暗物質的影響，像先驅者10號這樣的航天器的路徑只會偏離大約5英尺（1.6米）。“他們確實感受到了暗物質的影響，但它是如此之小，我們無法測量它，”Green說道。
銀河系的力量在哪裡佔據優勢？
在距離太陽一定距離時，銀河系的力量變得比由正常物質構成的太陽的拉力更強大。Belbruno和Green計算出，這種轉變發生在約3萬個天文單位或說是地球到太陽距離的3萬倍。這遠遠超出了冥王星的距離，但仍在奧爾特雲內，這是一個由數百萬顆彗星組成的蜂群，圍繞着太陽系，延伸到10萬個天文單位。
這意味着暗物質的引力可能在像奧陌陌這樣的天體的軌跡中發揮了作用，這顆雪茄狀的彗星或小行星來自另一個恆星系統，曾在2017年穿過了內太陽系。研究人員們指出，其異常快的速度可以用暗物質的引力對其進行數百萬年的推動來解釋。
如果在太陽系外圍有一顆巨大的行星，即科學家近年來一直在尋找的被稱為Planet 9或Planet X的假想天體，暗物質也會影響其軌道。Green和Belbruno寫道，如果這顆行星存在，暗物質也許甚至可以把它從科學家目前正在尋找的區域推開。暗物質也可能導致一些奧爾特雲彗星完全逃離太陽的軌道。
暗物質的引力可以被測量嗎？
為了測量太陽系中暗物質的影響，航天器不一定要走那麼遠。Green和Belbruno說，在100個天文單位的距離內，一個擁有正確實驗的航天器可以幫助天文學家直接測量暗物質的影響。
具體來說，一個配備有放射性同位素動力的航天器可能能夠進行這種測量，這種技術使先驅者10號和11號、旅行者號和新地平線號能飛離太陽很遠。這樣一個航天器可以攜帶一個反射球並在一個適當的距離上將其扔下。球將只感受到銀河系的力，而航天器除了銀河系的力之外，還將經歷來自其動力系統中衰變的放射性元素的熱力。減去熱力后，研究人員可以觀察銀河系力跟球體和航天器各自軌跡的偏差之間的關係。當兩個物體相互平行飛行時，這些偏差將可以用激光進行測量。
一個名為星際探測器(Interstellar Probe)的擬議任務概念–旨在前往距離太陽約500個天文單位的地方探索那個未知的環境–則是這種實驗的一種可能性。
