211service.com
Astrofysici veranderen GPS-satellietconstellatie in gigantische donkere materie-detector
Het Global Positioning System bestaat uit 31 in een baan om de aarde draaiende satellieten, elk met een atoomklok die een zeer nauwkeurig timingsignaal naar de grond stuurt. Iedereen met een geschikte ontvanger kan zijn positie bepalen tot op een paar meter nauwkeurig door de aankomsttijd van signalen van drie of meer satellieten te vergelijken.
En dit systeem kan eenvoudig worden verbeterd. De nauwkeurigheid van GPS-signalen kan veel hoger worden gemaakt door de signalen te combineren met signalen die op de grond worden geproduceerd. Geofysici gebruiken deze techniek bijvoorbeeld om de positie van grondstations tot op enkele millimeters nauwkeurig te bepalen. Op deze manier kunnen ze de kleine bewegingen van hele continenten meten.
Dit is een indrukwekkend streven. Geofysici meten routinematig het verschil tussen GPS-signalen en klokken op de grond met een nauwkeurigheid van minder dan 0,1 nanoseconde. Ze archiveren deze gegevens ook en geven een gedetailleerd overzicht van hoe GPS-signalen in de loop van de tijd zijn veranderd. Deze archiefopslag opent de mogelijkheid om de gegevens te gebruiken voor andere exotische studies.
Vandaag zeggen Benjamin Roberts van de Universiteit van Nevada en een paar vrienden dat ze deze gegevens hebben gebruikt om erachter te komen of GPS-satellieten mogelijk zijn beïnvloed door donkere materie, het mysterieuze onzichtbare spul waarvan astrofysici denken dat het onze melkweg vult. In feite hebben deze jongens het Global Positioning System veranderd in een astrofysisch observatorium van werkelijk planetaire proporties.
De theorie achter donkere materie is gebaseerd op waarnemingen van de manier waarop sterrenstelsels draaien. Deze draaiende beweging is zo snel dat sterren erdoor de extragalactische ruimte in zouden moeten vliegen.
Maar dit gebeurt niet. In plaats daarvan moet een mysterieuze kracht de sterren op de een of andere manier op hun plaats houden. De theorie is dat deze kracht zwaartekracht is die wordt gegenereerd door onzichtbare dingen die niet verschijnen in astronomische waarnemingen. Met andere woorden, donkere materie.
Als deze theorie klopt, zou donkere materie ook onze melkweg moeten vullen, en terwijl de zon zijn statige baan rond het galactische centrum maakt, zou de aarde door een grote oceaan van donkere materie moeten ploegen.
Er is geen duidelijk teken van dit spul, waardoor natuurkundigen denken dat het heel zwak moet interageren met gewone zichtbare materie. Maar ze veronderstellen dat als donkere materie bestaat in kleine klontjes ter grootte van een atoom, het af en toe atoomkernen frontaal kan raken, waardoor hun energie wordt overgedragen aan zichtbare materie.
Daarom hebben astrofysici gigantische observatoria gebouwd in ondergrondse mijnen om te zoeken naar de veelbetekenende energie die vrijkomt bij deze botsingen. Tot nu toe hebben ze niets gezien. Of tenminste, er is geen consensus dat iemand bewijs van donkere materie heeft gezien. Er zijn dus dringend andere manieren nodig om naar donkere materie te zoeken.
Voer Roberts en co. Ze beginnen met een andere visie op waaruit donkere materie kan bestaan. In plaats van kleine deeltjes is een andere optie dat donkere materie de vorm kan aannemen van topologische defecten in de ruimtetijd die zijn overgebleven van de oerknal. Dit zouden glitches in het weefsel van het universum zijn, zoals domeinmuren, die de ruimte-tijd in hun nabijheid buigen.
Als de aarde door zo'n defect zou gaan, zou het lokale zwaartekrachtsveld in een periode van ongeveer een uur iets veranderen.
Maar hoe detecteer je zo'n verandering in het lokale veld? Voor Roberts en co is het antwoord duidelijk. Volgens de relativiteitstheorie verandert elke verandering in zwaartekracht ook de snelheid waarmee een klok tikt. Daarom lopen klokken in een baan iets langzamer dan die aan de oppervlakte.
Als de aarde in het recente verleden topologische defecten heeft doorgemaakt, zouden de klokgegevens van GPS-satellieten deze gebeurtenis hebben geregistreerd. Dus door te zoeken in de gearchiveerde gegevens van geofysici over GPS-kloktimings, zou het mogelijk moeten zijn om dergelijke gebeurtenissen te zien.
Dat is de theorie. In de praktijk is dit werk iets gecompliceerder omdat GPS-timingsignalen ook worden beïnvloed door andere factoren, zoals atmosferische omstandigheden, willekeurige variaties en andere dingen. Met al deze moet rekening worden gehouden.
Maar een belangrijk kenmerk van een topologisch defect is dat de invloed ervan door de vloot van satellieten moet gaan terwijl de aarde er doorheen gaat. Dus alle andere soorten lokale timingfluctuaties kunnen worden uitgesloten.
Roberts en co bestuderen de gegevens van de afgelopen 16 jaar en hun resultaten zorgen voor interessante lectuur. Deze jongens zeggen dat ze in die tijd geen teken hebben gevonden dat de aarde door een topologisch defect is gegaan. We vinden geen bewijs voor klonten van donkere materie in de vorm van domeinmuren, zeggen ze.
Dat sluit natuurlijk het bestaan van donkere materie niet uit of zelfs dat donkere materie in deze vorm bestaat. Maar het stelt wel sterke limieten aan hoe vaak topologische defecten kunnen voorkomen en hoe sterk hun invloed is.
Tot nu toe zijn de limieten vastgesteld met behulp van observaties van de kosmische microgolfachtergrondstraling, die topologische defecten zou moeten onthullen, zij het met een lage resolutie. Het werk van Roberts en co verbetert deze limieten met vijf ordes van grootte.
En binnenkort zouden betere gegevens beschikbaar moeten zijn. De beste klokken in aardse laboratoria zijn orden van grootte nauwkeuriger dan de atoomklokken aan boord van GPS-satellieten. Dus een netwerk van klokken op aarde zou moeten fungeren als een nog gevoeliger observatorium voor topologische defecten. Deze klokken worden nog maar net aan elkaar gekoppeld in netwerken, dus de gegevens ervan zouden de komende jaren beschikbaar moeten zijn.
Deze grotere gevoeligheid zou natuurkundigen in staat moeten stellen om naar andere soorten donkere materie te zoeken, bijvoorbeeld in de vorm van solitonen of Q-balls.
Dit alles maakt deel uit van een fascinerend evolutieproces. De technologie achter het GPS-systeem is direct terug te voeren op de eerste pogingen om het Spoetnik-ruimtevaartuig te volgen nadat de Sovjets het in 1957 hadden gelanceerd. Natuurkundigen realiseerden zich al snel dat ze de locatie konden bepalen door de radiosignalen te meten die het op verschillende plaatsen produceerde.
Het duurde niet lang voordat ze dit idee op zijn kop zetten. Is het, gezien de bekende locatie van een satelliet, mogelijk om uw locatie op aarde te bepalen met behulp van de signalen die deze uitzendt? De GPS-constellatie is een directe afstammeling van die gedachtegang.
Die natuurkundigen zouden zeker verbaasd zijn te weten dat de technologie die ze hebben ontwikkeld nu ook wordt gebruikt als een astrofysisch observatorium ter grootte van een planeet.
Referentie: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS als donkere-materie-detector: Orders-of-Magnitude-verbetering van koppelingen van klonterige donkere materie aan atoomklokken