«Созвездие» спутников GPS превратили в детектор темной материи

Физики из США и Канады, воспользовались для поиска сгустков темной материи созвездием из 31 спутника GPS, превратив его, по сути, в гигантский 50000-километровый детектор. Ключевым для работы детектора стали высокоточные атомные часы, находящиеся на борту спутников. Ученым не удалось найти признаков сгустков, что позволило оценить интенсивность взаимодействия темной материи с атомными часами — новая оценка оказалась в сто тысяч раз лучше, чем все предыдущие. Хотя модель темной материи, которую рассматривали авторы, довольно узкая, сами исследователи отмечают, что главная ценность работы в демонстрации нового подхода. Результаты работы опубликованы на сервере препринтов arxiv.org, кратко о них сообщает MIT Technology Review.

Темная материя — гипотетическая массивная форма материи, более распространенная во Вселенной, чем привычные нам атомы и молекулы. Главным образом ее существование проявляется в том, что звезды галактик, которые наблюдают астрономы, вращаются на периферии с той же скоростью, что и в середине галактического диска. Распределение видимой массы при этом требует постепенного уменьшения этой скорости. Чтобы объяснить это расхождение и была введена темная материя. 

Существует несколько гипотез того, чем может быть темная материя. Например, согласно одной из самых популярных теорий — это массивные, но очень слабо взаимодействующими с веществом частицы, WIMP. Их поисками занимается огромное число экспериментов по всему миру: серия экспериментов XENON, LUX, CoGeNT, CRESST и другие. Хотя об обнаружении эффектов, связанных с WIMP сообщал эксперимент DAMA, данные с более современных детекторов позволяют предположить, что это, скорее всего, случайные флуктуации. Поэтому больший интерес возникает к альтернативным объяснениям природы темной материи. 

Ряд работ рассматривают темную материю как топологические дефекты в пространстве-времени — сгустки в виде «стен». Такие сгустки должны локально изменять течение времени своим гравитационным полем, в согласии с общей теорией относительности. 

Авторы работы предложили исследовать эти изменения с помощью системы спутников GPS, каждый из которых оборудован высокоточными атомными часами. Уже в их движении по орбите Земли наблюдаются проявления теории относительности — часы словно бы торопятся на 46 микросекунд в день из-за гравитации планеты (относительно наземных) и одновременно отстают на 7,2 микросекунды в день, что учитывается в работе системы. В случае, если Земля проходит сквозь одну из таких «стен» темной материи, должна появиться дополнительная поправка, которая немного собьет часы.

Земля двигается относительно центра Галактики со скоростью порядка 220 километров в секунду. По оценкам авторов, наша планета должна налетать на сгустки темной материи с характерной скоростью около 300 километров в секунду. Это означает, что сбой часов в GPS должен распространяться в течение почти трех минут на всех спутниках по очереди. Зафиксировать такое событие можно анализируя корреляции в сбоях атомных часов. Точность последних достигает одной миллиардной доли секунды (в десятки тысяч раз меньше поправок на ОТО). 

Подробное описание принципа анализа данных ученые опубликовали в 2014 году в журнале Nature Physics. Физики изучили данные, собранные за 16 лет работы системы спутников в поисках корреляций, временные периоды которых простирались от полутора минут до четырех часов. Однако обнаружить следов темной материи не удалось. 

Гленнис Фаррар, физик-теоретик из Университета Нью-Йорка, не участвовавшая в работе, отмечает, что авторы искали «стены» их темной материи, толщина которых не могла сильно превышать размеры Земли. Это сильно сужает применимость результатов. В будущем ученые планируют повторить эксперимент с наземными лабораторными атомными часами, точность которых на много порядков превосходит GPS.

Размер детектора, который использовали физики в работе превышает диаметр Земли в четыре раза, но это не самая большая база, использованная для астрономических наблюдений. К примеру, космический радиотелескоп «Спектр-Р», работающий в рамках проекта «Радиоастрон», способен проводить наблюдения одновременно с земными радиотелескопами, формируя общий детектор с апертурой в 350 тысяч километров.

Владимир Королёв