211service.com
Astrofysikere gjør GPS-satellittkonstellasjonen til en gigantisk detektor for mørk materie
Global Positioning System består av 31 satellitter som går i bane rundt jorden, som hver har en atomklokke som sender et svært nøyaktig tidssignal til bakken. Alle med en passende mottaker kan beregne sin posisjon innen noen få meter ved å sammenligne ankomsttiden til signaler fra tre eller flere satellitter.
Og dette systemet kan enkelt forbedres. Nøyaktigheten til GPS-signaler kan gjøres mye høyere ved å kombinere signalene med de som produseres på bakken. Geofysikere, for eksempel, bruker denne teknikken til å bestemme posisjonen til bakkestasjoner innen noen få millimeter. På denne måten kan de måle de bittesmå bevegelsene til hele kontinenter.
Dette er en imponerende innsats. Geofysikere måler rutinemessig forskjellen mellom GPS-signaler og klokker på bakken med en nøyaktighet på mindre enn 0,1 nanosekunder. De arkiverer også disse dataene og gir en detaljert oversikt over hvordan GPS-signaler har endret seg over tid. Denne arkivlagringen åpner for muligheten for å bruke dataene til andre eksotiske studier.
I dag sier Benjamin Roberts ved University of Nevada og noen få venner at de har brukt disse dataene for å finne ut om GPS-satellitter kan ha blitt påvirket av mørk materie, de mystiske usynlige tingene som astrofysikere tror fyller galaksen vår. Faktisk har disse gutta gjort Global Positioning System til et astrofysisk observatorium av virkelig planetariske proporsjoner.
Teorien bak mørk materie er basert på observasjoner av måten galakser roterer på. Denne snurrende bevegelsen er så rask at den burde sende stjerner som flyr ut i det ekstragalaktiske rommet.
Men dette skjer ikke. I stedet må en mystisk kraft på en eller annen måte holde stjernene på plass. Teorien er at denne kraften er tyngdekraften generert av usynlige ting som ikke vises i astronomiske observasjoner. Med andre ord mørk materie.
Hvis denne teorien er riktig, bør mørk materie fylle galaksen vår også, og mens solen gjør sin staselige bane rundt det galaktiske sentrum, bør jorden pløye gjennom et stort hav av mørk materie.
Det er ingen åpenbare tegn på dette, noe som får fysikere til å tro at det må samhandle veldig svakt med vanlig synlig materie. Men de antar at hvis mørk materie eksisterer i små atomstore klumper, kan den av og til treffe atomkjerner på hodet, og dermed overføre energien deres til synlig materie.
Det er derfor astrofysikere har bygget gigantiske observatorier i underjordiske gruver for å se etter den avslørende energien som frigjøres i disse kollisjonene. Så langt har de ikke sett noe. Eller i det minste er det ingen konsensus om at noen har sett bevis på mørk materie. Så andre måter å lete etter mørk materie på er desperat nødvendig.
Gå inn Roberts og co. De starter med en annen visjon om hva mørk materie kan bestå av. I stedet for små partikler, er et annet alternativ at mørk materie kan ta form av topologiske defekter i romtid som er igjen fra Big Bang. Dette ville være feil i universets stoff, som domenevegger, som bøyer rom-tid i deres nærhet.
Skulle jorden passere gjennom en slik defekt, ville det endre det lokale gravitasjonsfeltet litt over en periode på en time eller så.
Men hvordan oppdage en slik endring i det lokale feltet? For Roberts og co er svaret klart. I følge relativitetsteorien endrer enhver endring i tyngdekraften også hastigheten en klokke tikker med. Det er derfor kretsende klokker går litt saktere enn de på overflaten.
Hvis jorden har gått gjennom noen topologiske defekter i den siste tiden, ville klokkedata fra GPS-satellitter ha registrert denne hendelsen. Så ved å søke gjennom geofysikeres arkiverte registreringer av GPS-klokketimer, burde det være mulig å se slike hendelser.
Det er teorien. I praksis er dette arbeidet litt mer komplisert fordi GPS-tidssignaler også påvirkes av andre faktorer som atmosfæriske forhold, tilfeldige variasjoner og andre ting. Alle disse må tas i betraktning.
Men en nøkkelsignatur på en topologisk defekt er at dens innflytelse bør sveipe gjennom flåten av satellitter når jorden passerer gjennom den. Så alle andre typer lokal tidssvingning kan utelukkes.
Roberts og co studerer dataene de siste 16 årene, og resultatene deres gir interessant lesning. Disse gutta sier at de ikke har funnet noen tegn på at jorden har gått gjennom en topologisk defekt på den tiden. Vi finner ingen bevis for mørk materie klumper i form av domenevegger, sier de.
Det utelukker selvfølgelig ikke eksistensen av mørk materie eller til og med at mørk materie eksisterer i denne formen. Men det setter sterke grenser for hvor vanlige topologiske defekter kan være og hvor sterk påvirkningen deres er.
Inntil nå har grensene blitt satt ved hjelp av observasjoner av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, som skulle avsløre topologiske defekter, om enn ved lav oppløsning. Arbeidet til Roberts og co forbedrer disse grensene med fem størrelsesordener.
Og bedre data bør være tilgjengelig snart. De beste klokkene i jordlaboratorier er størrelsesordener mer nøyaktige enn atomklokkene ombord på GPS-satellitter. Så et nettverk av klokker på jorden burde fungere som et enda mer følsomt observatorium for topologiske defekter. Disse klokkene er så vidt i ferd med å bli knyttet sammen i nettverk, så dataene fra dem bør være tilgjengelige i årene som kommer.
Denne større følsomheten bør tillate fysikere å se etter andre typer mørk materie, som for eksempel kan ha form av solitoner eller Q-baller.
Alt dette er en del av en fascinerende evolusjonsprosess. Teknologien bak GPS-systemet kan spores direkte tilbake til de første forsøkene på å spore Sputnik-romfartøyet etter at sovjeterne skjøt det opp i 1957. Fysikere skjønte snart at de kunne bestemme plasseringen ved å måle radiosignalene det genererte på forskjellige steder.
Det tok ikke lang tid før de snudde denne ideen på hodet. Gitt den kjente plasseringen til en satellitt, er det mulig å bestemme posisjonen din på jorden ved å bruke signalene den sender? GPS-konstellasjonen er en direkte etterkommer av den tankerekken.
Disse fysikerne ville sikkert bli overrasket over å vite at teknologien de utviklet også nå blir brukt som et astrofysisk observatorium på planetstørrelse.
Ref: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS som en mørk materiedetektor: Forbedring av størrelsesordener på koblinger av klumpete mørk materie til atomklokker