Astrofysikere forvandler GPS-satellitkonstellation til en kæmpe detektor for mørkt stof

Global Positioning System består af 31 satellitter i kredsløb om jorden, som hver bærer et atomur, der sender et meget nøjagtigt tidssignal til jorden. Enhver med en passende modtager kan beregne deres position inden for få meter ved at sammenligne ankomsttiden for signaler fra tre eller flere satellitter.

Og dette system kan nemt forbedres. Nøjagtigheden af ​​GPS-signaler kan gøres meget højere ved at kombinere signalerne med dem, der produceres på jorden. Geofysikere, for eksempel, bruger denne teknik til at bestemme positionen af ​​jordstationer inden for nogle få millimeter. På denne måde kan de måle de små bevægelser på hele kontinenter.

Dette er en imponerende indsats. Geofysikere måler rutinemæssigt forskellen mellem GPS-signaler og ure på jorden med en nøjagtighed på mindre end 0,1 nanosekunder. De arkiverer også disse data og giver en detaljeret registrering af, hvordan GPS-signaler har ændret sig over tid. Denne arkivlagring åbner mulighed for at bruge dataene til andre eksotiske undersøgelser.

I dag siger Benjamin Roberts ved University of Nevada og et par venner, at de har brugt disse data til at finde ud af, om GPS-satellitter kan være blevet påvirket af mørkt stof, de mystiske usynlige ting, som astrofysikere tror, ​​fylder vores galakse. Faktisk har disse fyre forvandlet Global Positioning System til et astrofysisk observatorium af virkelig planetarisk proportion.

Teorien bag mørkt stof er baseret på observationer af den måde galakser roterer på. Denne roterende bevægelse er så hurtig, at den burde sende stjerner til at flyve ud i det ekstragalaktiske rum.

Men dette sker ikke. I stedet skal en mystisk kraft på en eller anden måde holde stjernerne på plads. Teorien er, at denne kraft er tyngdekraften genereret af usynlige ting, der ikke dukker op i astronomiske observationer. Med andre ord mørkt stof.

Hvis denne teori er korrekt, burde mørkt stof også fylde vores galakse, og da solen gør sit statelige kredsløb om det galaktiske centrum, burde Jorden pløje gennem et stort hav af mørkt stof.

Der er ingen tydelige tegn på disse ting, hvilket får fysikere til at tro, at det skal interagere meget svagt med almindeligt synligt stof. Men de antager, at hvis mørkt stof findes i små klumper på størrelse med atomer, kan det lejlighedsvis ramme atomkerner direkte og derved overføre deres energi til synligt stof.

Det er derfor, astrofysikere har bygget gigantiske observatorier i underjordiske miner for at lede efter den afslørende energi, der frigives i disse kollisioner. Indtil videre har de intet set. Eller i det mindste er der ingen konsensus om, at nogen har set beviser for mørkt stof. Så der er desperat brug for andre måder at lede efter mørkt stof på.

Indtast Roberts og co. De starter med en anden vision af, hvad mørkt stof kan bestå af. I stedet for små partikler er en anden mulighed, at mørkt stof kan tage form af topologiske defekter i rum-tid, der er tilbage fra Big Bang. Disse ville være fejl i universets stof, som domænevægge, der bøjer rum-tid i deres nærhed.

Skulle Jorden passere gennem en sådan defekt, ville det ændre det lokale gravitationsfelt lidt over en periode på en time eller deromkring.

Men hvordan opdager man en sådan ændring i det lokale felt? For Roberts og co er svaret klart. Ifølge relativitetsteorien ændrer enhver ændring i tyngdekraften også den hastighed, hvormed et ur tikker. Det er derfor, at kredsløbende ure kører en lille smule langsommere end dem på overfladen.

Hvis Jorden har passeret gennem topologiske defekter i den seneste tid, ville urdataene fra GPS-satellitter have registreret denne begivenhed. Så ved at søge gennem geofysikeres arkiverede registreringer af GPS-ur-timinger, burde det være muligt at se sådanne begivenheder.

Det er teorien. I praksis er dette arbejde lidt mere kompliceret, fordi GPS-tidssignaler også påvirkes af andre faktorer såsom atmosfæriske forhold, tilfældige variationer og andre ting. Alle disse skal tages i betragtning.

Men en nøglesignatur på en topologisk defekt er, at dens indflydelse bør feje gennem flåden af ​​satellitter, når Jorden passerer gennem den. Så enhver anden form for lokal tidsudsving kan udelukkes.

Roberts og co studerer dataene over de sidste 16 år, og deres resultater giver interessant læsning. Disse fyre siger, at de ikke har fundet tegn på, at Jorden har passeret gennem en topologisk defekt i den tid. Vi finder ingen beviser for klumper af mørkt stof i form af domænevægge, siger de.

Det udelukker selvfølgelig ikke eksistensen af ​​mørkt stof eller endda at mørkt stof eksisterer i denne form. Men det sætter stærke grænser for, hvor almindelige topologiske defekter kan være, og hvor stærk deres indflydelse er.

Indtil nu er grænserne blevet sat ved hjælp af observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, som skulle afsløre topologiske defekter, dog ved lav opløsning. Roberts og cos arbejde forbedrer disse grænser med fem størrelsesordener.

Og bedre data skulle snart være tilgængelige. De bedste ure i jordens laboratorier er størrelsesordener mere nøjagtige end atomurene ombord på GPS-satellitter. Så et netværk af ure på Jorden burde fungere som et endnu mere følsomt observatorium for topologiske defekter. Disse ure er først lige ved at blive knyttet sammen i netværk, så dataene fra dem burde være tilgængelige i de kommende år.

Denne større følsomhed skulle gøre det muligt for fysikere at lede efter andre typer mørkt stof, som for eksempel kan tage form af solitoner eller Q-bolde.

Alt dette er en del af en fascinerende udviklingsproces. Teknologien bag GPS-systemet kan spores direkte tilbage til de første forsøg på at spore Sputnik-rumfartøjet, efter at sovjetterne opsendte det i 1957. Fysikere indså hurtigt, at de kunne bestemme dets placering ved at måle de radiosignaler, det genererede forskellige steder.

Det varede ikke længe, ​​før de vendte denne idé på hovedet. Givet den kendte placering af en satellit, er det muligt at bestemme din placering på Jorden ved hjælp af de signaler, den udsender? GPS-konstellationen er en direkte efterkommer af den tankerække.

Disse fysikere ville helt sikkert blive overrasket over at vide, at den teknologi, de udviklede, også nu bliver brugt som et astrofysisk observatorium i planetstørrelse.

Ref: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS som mørkstofdetektor: Forbedring af størrelsesordener på koblinger af klumpet mørkt stof til atomure

skjule