Astrofysiker förvandlar GPS-satellitkonstellation till en gigantisk detektor för mörk materia

Global Positioning System består av 31 satelliter som kretsar runt jorden, var och en bär på en atomklocka som skickar en mycket exakt tidssignal till marken. Vem som helst med en lämplig mottagare kan räkna ut sin position inom några få meter genom att jämföra ankomsttiden för signaler från tre eller flera satelliter.

Och detta system kan lätt förbättras. Noggrannheten hos GPS-signaler kan göras mycket högre genom att kombinera signalerna med de som produceras på marken. Geofysiker, till exempel, använder denna teknik för att bestämma positionen för markstationer inom några få millimeter. På så sätt kan de mäta de små rörelserna på hela kontinenter.

Detta är en imponerande strävan. Geofysiker mäter rutinmässigt skillnaden mellan GPS-signaler och klockor på marken med en noggrannhet på mindre än 0,1 nanosekunder. De arkiverar också dessa data och ger en detaljerad registrering av hur GPS-signaler har förändrats över tiden. Denna arkivlagring öppnar möjligheten att använda data för andra exotiska studier.

Idag säger Benjamin Roberts vid University of Nevada och några kompisar att de har använt dessa data för att ta reda på om GPS-satelliter kan ha påverkats av mörk materia, den mystiska osynliga grejen som astrofysiker tror fyller vår galax. I själva verket har dessa killar förvandlat Global Positioning System till ett astrofysiskt observatorium av verkligt planetariska proportioner.

Teorin bakom mörk materia är baserad på observationer av hur galaxer roterar. Denna snurrande rörelse är så snabb att den borde skicka stjärnor att flyga iväg till extragalaktiska rymden.

Men detta händer inte. Istället måste en mystisk kraft på något sätt hålla stjärnorna på plats. Teorin är att denna kraft är gravitation som genereras av osynliga saker som inte dyker upp i astronomiska observationer. Med andra ord mörk materia.

Om denna teori är korrekt borde mörk materia fylla vår galax också, och när solen gör sin ståtliga bana runt det galaktiska centrumet borde jorden plöja igenom ett stort hav av mörk materia.

Det finns inga uppenbara tecken på det här, vilket får fysiker att tro att det måste interagera mycket svagt med vanlig synlig materia. Men de antar att om mörk materia finns i små atomstora klumpar, kan den ibland träffa atomkärnor rakt mot varandra och därigenom överföra deras energi till synlig materia.

Det är därför astrofysiker har byggt gigantiska observatorier i underjordiska gruvor för att leta efter den kontrollampa energin som frigörs i dessa kollisioner. Hittills har de inte sett något. Eller åtminstone, det finns ingen konsensus om att någon har sett bevis på mörk materia. Så andra sätt att leta efter mörk materia behövs desperat.

Ange Roberts och co. De börjar med en annan syn på vad mörk materia kan bestå av. Istället för små partiklar är ett annat alternativ att mörk materia kan ta formen av topologiska defekter i rum-tid som blivit över från Big Bang. Dessa skulle vara fel i universums väv, som domänväggar, som böjer rumtiden i deras närhet.

Skulle jorden passera genom en sådan defekt, skulle det förändra det lokala gravitationsfältet bara något under en period på en timme eller så.

Men hur upptäcker man en sådan förändring i det lokala området? För Roberts och co är svaret tydligt. Enligt relativitetsteorien ändrar varje förändring i gravitationen också hastigheten med vilken en klocka tickar. Det är därför kretsande klockor går lite långsammare än de på ytan.

Om jorden har passerat genom några topologiska defekter på senare tid, skulle klockdata från GPS-satelliter ha registrerat denna händelse. Så genom att söka igenom geofysikers arkiverade register över GPS-klocktider borde det vara möjligt att se sådana händelser.

Det är teorin. I praktiken är detta arbete lite mer komplicerat eftersom GPS-tidsignaler också påverkas av andra faktorer som atmosfäriska förhållanden, slumpmässiga variationer och annat. Alla dessa måste beaktas.

Men en viktig signatur för en topologisk defekt är att dess inflytande bör svepa genom flottan av satelliter när jorden passerar genom den. Så alla andra typer av lokal tidsfluktuation kan uteslutas.

Roberts och co studerar data under de senaste 16 åren, och deras resultat gör det intressant att läsa. Dessa killar säger att de inte har hittat några tecken på att jorden har passerat genom en topologisk defekt under den tiden. Vi hittar inga bevis för klumpar av mörk materia i form av domänväggar, säger de.

Naturligtvis utesluter det inte förekomsten av mörk materia eller ens att mörk materia existerar i denna form. Men det sätter starka gränser för hur vanliga topologiska defekter kan vara och hur starkt deras inflytande är.

Fram till nu har gränserna satts med hjälp av observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, som bör avslöja topologiska defekter, om än med låg upplösning. Roberts och cos arbete förbättrar dessa gränser med fem storleksordningar.

Och bättre data borde finnas tillgänglig snart. De bästa klockorna i jordlaboratorier är storleksordningar mer exakta än atomklockorna ombord på GPS-satelliter. Så ett nätverk av klockor på jorden borde fungera som ett ännu känsligare observatorium för topologiska defekter. Dessa klockor håller bara på att bli sammanlänkade i nätverk, så data från dem bör vara tillgängliga under de kommande åren.

Denna större känslighet bör göra det möjligt för fysiker att leta efter andra typer av mörk materia, som till exempel kan ta formen av solitoner eller Q-bollar.

Allt detta är en del av en fascinerande utvecklingsprocess. Tekniken bakom GPS-systemet kan spåras direkt tillbaka till de första försöken att spåra rymdfarkosten Sputnik efter att sovjeterna lanserade den 1957. Fysiker insåg snart att de kunde bestämma dess plats genom att mäta radiosignalerna som den genererade på olika platser.

Det dröjde inte länge innan de vände på den här idén. Med tanke på den kända platsen för en satellit, är det möjligt att bestämma din position på jorden med hjälp av signalerna den sänder? GPS-konstellationen är en direkt ättling till den tankegången.

Dessa fysiker skulle säkert bli förvånade över att veta att tekniken de utvecklade också nu används som ett astrofysiskt observatorium i planetstorlek.

Ref: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS som mörkmateriadetektor: Förbättring av storleksordningar på kopplingar av klumpig mörk materia till atomklockor

Dölj