Astrofizycy zmieniają konstelację satelitów GPS w gigantyczny detektor ciemnej materii

Globalny system pozycjonowania składa się z 31 satelitów krążących wokół Ziemi, z których każdy posiada zegar atomowy, który wysyła bardzo dokładny sygnał czasowy na ziemię. Każdy, kto posiada odpowiedni odbiornik, może określić swoją pozycję z dokładnością do kilku metrów, porównując czas nadejścia sygnałów z trzech lub więcej satelitów.

A ten system można łatwo ulepszyć. Dokładność sygnałów GPS można znacznie zwiększyć, łącząc sygnały z sygnałami wytwarzanymi na ziemi. Na przykład geofizycy używają tej techniki do określania pozycji stacji naziemnych z dokładnością do kilku milimetrów. W ten sposób mogą mierzyć drobne ruchy całych kontynentów.

To imponujące przedsięwzięcie. Geofizycy rutynowo mierzą różnicę między sygnałami GPS a zegarami naziemnymi z dokładnością poniżej 0,1 nanosekundy. Archiwizują również te dane, zapewniając szczegółowy zapis zmian sygnałów GPS w czasie. To przechowywanie archiwalne otwiera możliwość wykorzystania danych do innych egzotycznych badań.

Dzisiaj Benjamin Roberts z University of Nevada i kilku kumpli twierdzą, że wykorzystali te dane, aby dowiedzieć się, czy na satelity GPS mogły mieć wpływ ciemna materia, tajemnicza niewidzialna substancja, która według astrofizyków wypełnia naszą galaktykę. W efekcie ci faceci zmienili Global Positioning System w astrofizyczne obserwatorium o prawdziwie planetarnych proporcjach.

Teoria ciemnej materii opiera się na obserwacjach sposobu rotacji galaktyk. Ten wirujący ruch jest tak szybki, że powinien wystrzelić gwiazdy w przestrzeń pozagalaktyczną.

Ale tak się nie dzieje. Zamiast tego tajemnicza siła musi jakoś utrzymać gwiazdy na miejscu. Teoria mówi, że ta siła to grawitacja generowana przez niewidzialne rzeczy, które nie pojawiają się w obserwacjach astronomicznych. Innymi słowy, ciemna materia.

Jeśli ta teoria jest słuszna, ciemna materia powinna również wypełniać naszą galaktykę, a gdy Słońce okrąża galaktyczne centrum, Ziemia powinna przebić się przez wielki ocean ciemnej materii.

Nie ma wyraźnych śladów tego materiału, co sprawia, że ​​fizycy sądzą, że musi on bardzo słabo oddziaływać ze zwykłą materią widzialną. Wysuwają jednak hipotezę, że jeśli ciemna materia istnieje w małych bryłach o rozmiarach atomowych, może czasami uderzać w jądra atomowe, przenosząc w ten sposób ich energię na materię widzialną.

Dlatego astrofizycy zbudowali gigantyczne obserwatoria w podziemnych kopalniach, aby szukać charakterystycznej energii uwalnianej w tych zderzeniach. Jak dotąd nic nie widzieli. A przynajmniej nie ma zgody, że ktokolwiek widział dowody na istnienie ciemnej materii. Dlatego desperacko potrzebne są inne sposoby poszukiwania ciemnej materii.

Wprowadź Robertsa i spółkę. Zaczynają od innej wizji tego, z czego może składać się ciemna materia. Inną opcją zamiast małych cząstek jest to, że ciemna materia może przybrać formę topologicznych defektów czasoprzestrzeni pozostałych po Wielkim Wybuchu. To byłyby usterki w strukturze wszechświata, jak ściany domen, które zaginają czasoprzestrzeń w swoim sąsiedztwie.

Gdyby Ziemia przeszła przez taki defekt, zmieniłaby lokalne pole grawitacyjne tylko nieznacznie w ciągu około godziny.

Ale jak wykryć taką zmianę w lokalnym polu? Dla Robertsa i spółki odpowiedź jest jasna. Zgodnie z teorią względności każda zmiana grawitacji zmienia również tempo tykania zegara. Dlatego zegary na orbicie działają nieco wolniej niż te na powierzchni.

Gdyby w niedalekiej przeszłości Ziemia przeszła przez jakiekolwiek defekty topologiczne, dane zegara z satelitów GPS zarejestrowałyby to zdarzenie. Tak więc przeszukując archiwalne zapisy geofizyków dotyczące czasów zegara GPS, powinno być możliwe zobaczenie takich zdarzeń.

Taka jest teoria. W praktyce praca ta jest nieco bardziej skomplikowana, ponieważ na sygnały czasowe GPS wpływają również inne czynniki, takie jak warunki atmosferyczne, losowe zmiany i inne. Wszystko to należy wziąć pod uwagę.

Ale kluczową oznaką defektu topologicznego jest to, że jego wpływ powinien przenikać flotę satelitów, gdy Ziemia przez nią przechodzi. Tak więc można wykluczyć wszelkie inne rodzaje lokalnych wahań czasu.

Roberts i wsp. badają dane z ostatnich 16 lat, a ich wyniki stanowią ciekawą lekturę. Ci faceci twierdzą, że nie znaleźli w tym czasie żadnych oznak, że Ziemia przeszła przez defekt topologiczny. Mówią, że nie znajdujemy dowodów na skupiska ciemnej materii w postaci ścian domen.

Oczywiście nie wyklucza to istnienia ciemnej materii ani nawet tego, że ciemna materia istnieje w tej formie. Jednak nakłada to silne ograniczenia na to, jak powszechne mogą być defekty topologiczne i jak silny jest ich wpływ.

Do tej pory granice wyznaczano na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które, aczkolwiek w niskiej rozdzielczości, powinny ujawnić defekty topologiczne. Praca Robertsa i współpracownika poprawia te limity o pięć rzędów wielkości.

A lepsze dane powinny być wkrótce dostępne. Najlepsze zegary w laboratoriach Ziemi są o rząd wielkości dokładniejsze niż zegary atomowe na satelitach GPS. Tak więc sieć zegarów na Ziemi powinna działać jako jeszcze bardziej czułe obserwatorium na defekty topologiczne. Zegary te dopiero łączą się ze sobą w sieci, więc dane z nich powinny być dostępne w nadchodzących latach.

Ta większa czułość powinna pozwolić fizykom na poszukiwanie innych rodzajów ciemnej materii, które mogą przybierać na przykład postać solitonów lub kul Q.

Wszystko to jest częścią fascynującego procesu ewolucji. Technologię systemu GPS można prześledzić bezpośrednio do pierwszych prób śledzenia statku kosmicznego Sputnik po wystrzeleniu go przez Sowietów w 1957 roku. Fizycy wkrótce zdali sobie sprawę, że mogą określić jego lokalizację, mierząc sygnały radiowe generowane w różnych miejscach.

Nie trwało długo, zanim postawili ten pomysł na głowie. Biorąc pod uwagę znaną lokalizację satelity, czy możliwe jest określenie swojej lokalizacji na Ziemi na podstawie nadawanych przez niego sygnałów? Konstelacja GPS jest bezpośrednim następcą tego toku myślenia.

Ci fizycy z pewnością byliby zdumieni, gdyby dowiedzieli się, że opracowana przez nich technologia jest obecnie wykorzystywana również jako obserwatorium astrofizyczne o rozmiarach planety.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS jako detektor ciemnej materii: poprawa rzędów wielkości w sprzężeniu zbrylonej ciemnej materii z zegarami atomowymi

ukryć