Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-12-3
«Созвездие» спутников GPS превратили в детектор темной материи

Май 2017

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. Исследователи отметили, что главная ценность работы в демонстрации нового подхода. Результаты работы опубликованы на сервере препринтов arxiv.org.

Существует несколько гипотез того, чем может быть темная материя. Согласно одной из самых популярных теорий — массивные, но 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.

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

_{nplus1.ru, 6 мая 2017, Владимир Королев}

_{https://nplus1.ru/news/2017/05/06/gps-dark-matter}

_{Сервер препринтов arxiv.org, 2017}

_{https://arxiv.org/abs/1704.06844}