天文物理学家用GPS卫星群探测暗物质

tanxiao

如果地球从一片暗物质海中扫过，它会在GPS卫星的时钟数据中留下痕迹 。我们对GPS 并不陌生，它可以用来定位，测量距离，跟踪，现在它又有了新功能：天文台。



全球定位系统（GPS）由31颗卫星组成，每个卫星携带一枚高精度原子钟，向地面不断发送时间信号。地面上的接收器接收到三个卫星的信号就可以根据时间差来算出自己的地理位置。在地面基站的帮助下，GPS的信号精度还能进一步提升。

一些地球物理学家在GPS的时间信号的辅助下，将各个地面基站之间的距离精确到了毫米，他们曾经用这个技术成功测量了大陆的微小运动。他们还不间断地以0.1 纳秒的精度测量GPS 之间以及地面基站之间的时间差，并将这些数据保存了下来。现在这些记录又有了新的用途。

内华达大学天体物理学家BenjaminRoberts和他的同事相信，暗物质的存在可以影响GPS 卫星的信号，他们打算从记录的GPS 信号中搜寻到暗物质的蛛丝马迹：GPS卫星群被改造成了一个“天文台”

暗物质的理论是建立在观察星系旋转的基础上的。理论上星系的旋转速度很快，有些恒星便可能掉队，飞出星系，进入星系际空间。但是这并没有发生。相反，恒星好像被一种神秘的力量牢牢地绑在了一起，并没有一个恒星掉队。

很多人认为这种力量其实是一种看不见的物质的引力，这种物质就是暗物质。如果这个理论是正确的，暗物质必须充满着整个银河系，太阳和地球也都穿梭于暗物质的海洋里。

但是迄今为止还没有找到暗物质的一点痕迹，物理学家们猜测它与普通的可见物质只有很弱的相互作用。同时他们假设了暗物质很可能存在于原子的尺度上，会与原子核发生偶然的碰撞，从而将能量转移到可见物质上面。

基于这个推测，天物理学家们在大型矿坑中建造了很多观察台，他们希望可以捕捉到从这些碰撞中释放出来的能量。不过目前为止，什么也没有发现。至少，那些现有的暗物质存在的证据，都还存在争论。

Robert 和他的同事对暗物质的构成持有不同的意见。他们认为暗物质不是一种由粒子构成的物质，而是宇宙大爆炸后留下的拓扑时空缺陷，换句话说就是时空的小褶皱。当地球从缺陷中穿行而过，它会对局部的重力场产生一个持续数小时之久微小改变，我们可以通过这个改变来探测暗物质的存在。

但是如何探测局部重力场的改变呢？Robert 和他的同事已经有了一个清晰的答案。根据相对论，重力的改变也会造成处于这个重力场的时钟速度的改变（这也是为什么地球轨道上运行的时钟比地球上的时钟稍微慢一点）。

如果地球在不久之前穿过了这个拓扑的缺陷，那么已经穿过这片区域的GPS 卫星的时钟速度会变慢。通过搜寻地球物理学家归档的GPS时钟数据，应该可以看到这些时钟变慢事件。

以上只是理论，实际应用要更复杂，因为GPS的信号还会受到其它因素的干扰，比如大气层条件，随机的扰动和其它的因素。这些都要考虑在内。但是拓扑缺陷的一个显著特点是当地球从中穿过时，GPS 卫星阵也会穿越其中，两者产生相同的偏差相互抵消，所以任何局部的扰动都可以排除在外了。

然而，Roberts和其同事研究了过去 16 年的数据后发现，地球并没有穿行于拓扑缺陷中。“我们没有找到暗物质的证据，”他们说。当然，这个结果并也不足以否定暗物质存在，不过也从另一面说明了拓扑缺陷的罕见性，以及它对可见物质的影响很微弱。

一直以来，科学家都是依据很早就发现的宇宙微波背景辐射来量化拓扑缺陷，而Robert的工作将精度提高了五个量级。而且随着技术的升级，更好的数据即将出现。

地面上最好的时钟比GPS 卫星上的时钟精度都高，所以如果在地球上建立一个时钟网络，它会比GPS时钟网络更精确。而建造网络并不困难，只需将不同的基站连网，新的质量更好的数据便呼之欲出。而更高的精度也使物理不家得以寻找其它形式的暗物质，例如孤子和Q-ball。

GPS 的技术最早可以追溯到前苏联发射的第一颗人造卫星。在卫星升空后不久，物理学家便意识到，可以利用卫星发射的无线电信号来决定位置。不久之后，这个想法就被付诸实践。

在知道卫星位置的情况下，不同卫星发出的信号可以得出你在地球上的位置。经过多年研究，GPS卫星群呼之欲出。如今，GPS 已经走近了千家万户，当初的那些物理学家们一定不会想到，GPS 卫星竟然可以被用来测量暗物质。

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编辑：梁柱

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