全球定位系统或能帮助科学家探测暗物质

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全球定位系统(GPS)已经成为我们生活中不可或缺的一部分,无论是在都市导航,还是在山区寻路,都需要用到GPS装置。对物理学家来说,全球定位系统也可能成为直接探测暗物质的工具。截止到目前,暗物质还是非常难以捉摸的一种物质形式,与星系的形成关系密切。

近日,美国内华达大学雷诺分校的安德雷·德雷维安科(Andrei Derevianko)及其同事,来自加拿大维多利亚大学和理论物理学周边研究所的马西姆·波斯彼洛夫(Maxim Pospelov)提出了一个探测暗物质的方法。利用GPS卫星和其他原子钟网络,比较原子钟显示的时间差异,寻找受暗物质影响的线索。

“尽管已经有了扎实的观测证据,但暗物质依然是一个谜,”德雷维安科说,“一些粒子物理学的研究项目假设,暗物质可能由较重的粒子组成。这一假说还没得到验证,目前也存在一些替代的假说。很戏剧性的一点是,现代物理学和宇宙学只能够解释宇宙中5%的物质和能量,剩余的部分则依然是未解之谜。”

有证据显示,在这些剩余的神秘物质和能量中,有68%由暗能量组成,另外27%的部分则是暗物质。不过,我们看不到暗物质,现在也没有直接观察和测量到暗物质。

“我们的研究理念是,暗物质可能就像一大团气体状的拓扑缺陷(topological defects),或能量裂缝(energy cracks),”德雷维安科说,“我们打算利用灵敏度极高的原子钟网络,在拓扑缺陷,即暗物质穿过我们周围的时候探测到它们。原理是这样的,这些原子钟如果出现不同步,就说明暗物质即拓扑缺陷经过了。事实上,我们想利用GPS卫星作为最大的人造暗物质探测器。”

在今年举行的一次重要的学术会议上,德雷维安科等人的理论获得了科学界的良好反响。他们关于这一课题的论文也发表在了近期《自然-物理学》(Nature Physics)杂志的在线版上。

目前,德雷维安科正与内华达州大地测量实验室的主管杰奥夫·布卢伊特(Geoff Blewitt)一起对GPS数据进行分析。大地测量实验室属于内华达大学雷诺分校的理学院,开发并维护着世界上最大的GPS数据处理中心,能全天候不间断地处理来自全世界12000个站点的信息。

GPS卫星利用原子钟来为我们提供日常生活所需的导航服务。德雷维安科和布卢伊特分析了来自30颗GPS卫星的数据,对暗物质探测的理论进行检验。我们已经有了GPS这样的原子钟网络,加上一些地面的原子钟网络,在出现拓扑缺陷的时候,这些原本同步的电子钟会变得不同步。不同空间位置的原子钟所出现的时间差异,可以视为一种独特的“签名”。

布卢伊特也是一位物理学家,他对原子钟阵列探测暗物质的可能性进行了解释。“我们知道暗物质一定在那里。举个例子,星系周围的光线由于暗物质而出现了弯曲,但我们还没有证据说明暗物质的组成,”他说,“如果那里没有暗物质存在,那我们所知的正常物质是无法使光线像那样弯曲的。这是科学家知道银河系中存在大量暗物质的方法之一。有一个可能性是,暗物质可能并不是由普通物质的粒子组成,而是由宇宙中的宏观缺陷(macroscopic imperfections)。”

“地球在运行中穿过这一暗物质‘气体团’的时候,就像有一阵‘暗物质风’吹过地球及其卫星。当暗物质经过的时候,会导致GPS系统的原子钟出现不同步的情况,持续时间约3分钟。如果暗物质能够引起原子钟超过十亿分之一秒的不同步,那我们就应该能探测出暗物质的存在。”www.etUFO.org

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