Astrophysiker verwandeln eine GPS-Satellitenkonstellation in einen gigantischen Detektor für Dunkle Materie

Das Global Positioning System besteht aus 31 erdumkreisenden Satelliten, von denen jeder eine Atomuhr trägt, die ein hochgenaues Zeitsignal an den Boden sendet. Jeder mit einem geeigneten Empfänger kann seine Position auf wenige Meter genau bestimmen, indem er die Ankunftszeit von Signalen von drei oder mehr Satelliten vergleicht.

Und dieses System kann leicht verbessert werden. Die Genauigkeit von GPS-Signalen kann viel höher gemacht werden, indem die Signale mit denen kombiniert werden, die am Boden erzeugt werden. Geophysiker nutzen diese Technik beispielsweise, um die Position von Bodenstationen auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. So können sie die winzigen Bewegungen ganzer Kontinente messen.

Das ist ein beeindruckendes Unterfangen. Geophysiker messen routinemäßig den Unterschied zwischen GPS-Signalen und Uhren am Boden mit einer Genauigkeit von weniger als 0,1 Nanosekunden. Sie archivieren diese Daten auch, um detailliert aufzuzeichnen, wie sich GPS-Signale im Laufe der Zeit verändert haben. Diese Archivierung eröffnet die Möglichkeit, die Daten für andere Exotenstudien zu nutzen.

Heute sagen Benjamin Roberts von der University of Nevada und ein paar Freunde, dass sie diese Daten verwendet haben, um herauszufinden, ob GPS-Satelliten möglicherweise von dunkler Materie beeinflusst wurden, dem mysteriösen unsichtbaren Zeug, von dem Astrophysiker glauben, dass es unsere Galaxie füllt. Tatsächlich haben diese Jungs das Global Positioning System in ein astrophysikalisches Observatorium von wahrhaft planetaren Ausmaßen verwandelt.

Die Theorie hinter Dunkler Materie basiert auf Beobachtungen der Rotation von Galaxien. Diese Drehbewegung ist so schnell, dass sie Sterne in den extragalaktischen Raum fliegen lassen sollte.

Aber das passiert nicht. Stattdessen muss eine mysteriöse Kraft die Sterne irgendwie an Ort und Stelle halten. Die Theorie besagt, dass diese Kraft die Schwerkraft ist, die von unsichtbarem Material erzeugt wird, das in astronomischen Beobachtungen nicht auftaucht. Mit anderen Worten, dunkle Materie.

Wenn diese Theorie richtig ist, sollte dunkle Materie auch unsere Galaxie füllen, und während die Sonne ihre stattliche Umlaufbahn um das galaktische Zentrum macht, sollte die Erde durch einen großen Ozean aus dunkler Materie pflügen.

Es gibt keine offensichtlichen Anzeichen für dieses Zeug, was Physiker glauben lässt, dass es sehr schwach mit gewöhnlicher sichtbarer Materie wechselwirken muss. Sie gehen jedoch davon aus, dass dunkle Materie, wenn sie in kleinen Klumpen von atomarer Größe existiert, gelegentlich direkt auf Atomkerne treffen und dadurch ihre Energie auf sichtbare Materie übertragen könnte.

Aus diesem Grund haben Astrophysiker riesige Observatorien in unterirdischen Minen gebaut, um nach der verräterischen Energie zu suchen, die bei diesen Kollisionen freigesetzt wird. Bisher haben sie nichts gesehen. Oder zumindest besteht kein Konsens darüber, dass irgendjemand Beweise für dunkle Materie gesehen hat. Daher werden dringend andere Wege zur Suche nach dunkler Materie benötigt.

Geben Sie Roberts und Co. ein. Sie beginnen mit einer anderen Vorstellung davon, woraus dunkle Materie bestehen könnte. Anstelle von kleinen Partikeln besteht eine andere Möglichkeit darin, dass dunkle Materie die Form topologischer Defekte in der Raumzeit annehmen könnte, die vom Urknall übrig geblieben sind. Dies wären Störungen im Gewebe des Universums, wie Domänenwände, die die Raumzeit in ihrer Nähe krümmen.

Sollte die Erde einen solchen Defekt passieren, würde sich das lokale Gravitationsfeld über einen Zeitraum von etwa einer Stunde nur geringfügig verändern.

Aber wie erkennt man eine solche Veränderung im lokalen Feld? Für Roberts und Co. ist die Antwort klar. Gemäß der Relativitätstheorie ändert jede Änderung der Schwerkraft auch die Geschwindigkeit, mit der eine Uhr tickt. Deshalb laufen die Uhren im Orbit etwas langsamer als die auf der Oberfläche.

Wenn die Erde in der jüngeren Vergangenheit irgendwelche topologischen Defekte durchlaufen hat, hätten die Uhrendaten von GPS-Satelliten dieses Ereignis aufgezeichnet. Wenn man also die archivierten Aufzeichnungen von Geophysikern über GPS-Uhrzeiten durchsucht, sollte es möglich sein, solche Ereignisse zu sehen.

Das ist die Theorie. In der Praxis ist diese Arbeit etwas komplizierter, da GPS-Timing-Signale auch von anderen Faktoren wie atmosphärischen Bedingungen, zufälligen Schwankungen und anderen Dingen beeinflusst werden. All dies gilt es zu berücksichtigen.

Aber eine Schlüsselsignatur eines topologischen Defekts ist, dass sein Einfluss durch die Satellitenflotte fegen sollte, wenn die Erde sie durchquert. Somit können alle anderen Arten von lokalen Timing-Schwankungen ausgeschlossen werden.

Roberts und Co. studieren die Daten der letzten 16 Jahre, und ihre Ergebnisse sind interessant zu lesen. Diese Typen sagen, sie hätten kein Anzeichen dafür gefunden, dass die Erde in dieser Zeit einen topologischen Defekt passiert hat. Wir finden keine Beweise für dunkle Materieklumpen in Form von Domänenwänden, sagen sie.

Das schließt natürlich nicht aus, dass dunkle Materie existiert oder dass dunkle Materie in dieser Form existiert. Aber es setzt starke Grenzen dafür, wie häufig topologische Defekte sein können und wie stark ihr Einfluss ist.

Bisher wurden die Grenzen durch Beobachtungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gesetzt, die topologische Defekte aufdecken sollten, wenn auch mit geringer Auflösung. Die Arbeit von Roberts und Co verbessert diese Grenzen um fünf Größenordnungen.

Und bessere Daten sollten bald verfügbar sein. Die besten Uhren in Erdlabors sind um Größenordnungen genauer als die Atomuhren an Bord von GPS-Satelliten. Ein Netzwerk von Uhren auf der Erde soll also als noch empfindlicheres Observatorium für topologische Defekte fungieren. Diese Uhren werden gerade erst in Netzwerken miteinander verbunden, sodass die Daten von ihnen in den kommenden Jahren verfügbar sein sollten.

Diese höhere Empfindlichkeit sollte es Physikern ermöglichen, nach anderen Arten dunkler Materie zu suchen, die beispielsweise die Form von Solitonen oder Q-Bällen annehmen können.

All dies ist Teil eines faszinierenden Evolutionsprozesses. Die Technologie hinter dem GPS-System lässt sich direkt auf die ersten Versuche zurückführen, das Raumschiff Sputnik zu verfolgen, nachdem die Sowjets es 1957 gestartet hatten. Physiker erkannten bald, dass sie seinen Standort bestimmen konnten, indem sie die von ihm an verschiedenen Orten erzeugten Funksignale maßen.

Es dauerte nicht lange, bis sie diese Idee auf den Kopf stellten. Ist es angesichts des bekannten Standorts eines Satelliten möglich, Ihren Standort auf der Erde anhand der von ihm gesendeten Signale zu bestimmen? Die GPS-Konstellation ist ein direkter Nachkomme dieses Gedankengangs.

Diese Physiker wären sicherlich erstaunt zu erfahren, dass die von ihnen entwickelte Technologie jetzt auch als astrophysikalisches Observatorium in Planetengröße eingesetzt wird.

Ref: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS als Detektor für dunkle Materie: Verbesserung der Größenordnungen bei Kopplungen von klumpiger dunkler Materie an Atomuhren

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