Gli astrofisici trasformano la costellazione satellitare GPS in un gigantesco rivelatore di materia oscura

Il Global Positioning System è composto da 31 satelliti in orbita attorno alla Terra, ciascuno dotato di un orologio atomico che invia a terra un segnale di temporizzazione estremamente preciso. Chiunque disponga di un ricevitore appropriato può calcolare la propria posizione entro pochi metri confrontando il tempo di arrivo dei segnali da tre o più satelliti.

E questo sistema può essere facilmente migliorato. La precisione dei segnali GPS può essere resa molto più elevata combinando i segnali con quelli prodotti a terra. I geofisici, ad esempio, utilizzano questa tecnica per determinare la posizione delle stazioni di terra entro pochi millimetri. In questo modo possono misurare i minuscoli movimenti di interi continenti.

Questo è uno sforzo impressionante. I geofisici misurano regolarmente la differenza tra i segnali GPS e gli orologi a terra con una precisione inferiore a 0,1 nanosecondi. Archiviano anche questi dati fornendo una registrazione dettagliata di come i segnali GPS sono cambiati nel tempo. Questa archiviazione d'archivio apre la possibilità di utilizzare i dati per altri studi esotici.

Oggi Benjamin Roberts dell'Università del Nevada e alcuni amici affermano di aver utilizzato questi dati per scoprire se i satelliti GPS potrebbero essere stati influenzati dalla materia oscura, la misteriosa sostanza invisibile che gli astrofisici pensano riempia la nostra galassia. In effetti, questi ragazzi hanno trasformato il Global Positioning System in un osservatorio astrofisico di proporzioni davvero planetarie.

La teoria alla base della materia oscura si basa sulle osservazioni del modo in cui le galassie ruotano. Questo movimento rotante è così veloce che dovrebbe far volare le stelle nello spazio extra-galattico.

Ma questo non accade. Invece, una forza misteriosa deve in qualche modo tenere ferme le stelle. La teoria è che questa forza sia la gravità generata da materiale invisibile che non compare nelle osservazioni astronomiche. In altre parole, materia oscura.

Se questa teoria è corretta, anche la materia oscura dovrebbe riempire la nostra galassia, e poiché il sole compie la sua maestosa orbita attorno al centro galattico, la Terra dovrebbe attraversare un grande oceano di materia oscura.

Non c'è alcun segno evidente di questa roba, il che fa pensare ai fisici che debba interagire molto debolmente con la normale materia visibile. Ma ipotizzano che se la materia oscura esiste in piccoli grumi di dimensioni atomiche, potrebbe occasionalmente colpire frontalmente i nuclei atomici, trasferendo così la loro energia alla materia visibile.

Ecco perché gli astrofisici hanno costruito giganteschi osservatori nelle miniere sotterranee per cercare l'energia rivelatrice rilasciata in queste collisioni. Finora, non hanno visto nulla. O almeno, non c'è consenso sul fatto che qualcuno abbia visto prove della materia oscura. Quindi sono assolutamente necessari altri modi per cercare la materia oscura.

Entra Roberts e co. Iniziano con una visione diversa di cosa può consistere la materia oscura. Invece di piccole particelle, un'altra opzione è che la materia oscura possa assumere la forma di difetti topologici nello spazio-tempo lasciati dal Big Bang. Questi sarebbero difetti nel tessuto dell'universo, come muri di dominio, che piegano lo spazio-tempo nelle loro vicinanze.

Se la Terra dovesse attraversare un tale difetto, cambierebbe il campo gravitazionale locale solo leggermente in un periodo di circa un'ora.

Ma come rilevare un tale cambiamento nel campo locale? Per Roberts e compagni, la risposta è chiara. Secondo la relatività, qualsiasi cambiamento di gravità cambia anche la velocità con cui un orologio ticchetta. Ecco perché gli orologi orbitanti funzionano un po' più lentamente di quelli in superficie.

Se la Terra ha attraversato difetti topologici nel recente passato, i dati dell'orologio dei satelliti GPS avrebbero registrato questo evento. Quindi, cercando tra i record archiviati dei geofisici dei tempi dell'orologio GPS, dovrebbe essere possibile vedere tali eventi.

Questa è la teoria. In pratica, questo lavoro è un po' più complicato perché i segnali di temporizzazione GPS sono influenzati anche da altri fattori come condizioni atmosferiche, variazioni casuali e altro. Tutti questi devono essere presi in considerazione.

Ma una caratteristica chiave di un difetto topologico è che la sua influenza dovrebbe attraversare la flotta di satelliti mentre la Terra lo attraversa. Quindi qualsiasi altro tipo di fluttuazione temporale locale può essere esclusa.

Roberts e colleghi studiano i dati negli ultimi 16 anni e i loro risultati costituiscono una lettura interessante. Questi ragazzi affermano di non aver trovato alcun segno che la Terra sia passata per un difetto topologico in quel momento. Non troviamo prove di accumuli di materia oscura sotto forma di muri di domini, dicono.

Naturalmente, ciò non esclude l'esistenza della materia oscura o addirittura che la materia oscura esista in questa forma. Ma pone forti limiti a quanto possano essere comuni i difetti topologici e quanto sia forte la loro influenza.

Finora, i limiti sono stati fissati utilizzando osservazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde, che dovrebbe rivelare difetti topologici, anche se a bassa risoluzione. Il lavoro di Roberts e collaboratori migliora questi limiti di cinque ordini di grandezza.

E presto dovrebbero essere disponibili dati migliori. I migliori orologi nei laboratori della Terra sono ordini di grandezza più accurati degli orologi atomici a bordo dei satelliti GPS. Quindi una rete di orologi sulla Terra dovrebbe fungere da osservatorio ancora più sensibile per i difetti topologici. Questi orologi si stanno appena collegando tra loro nelle reti, quindi i loro dati dovrebbero essere disponibili nei prossimi anni.

Questa maggiore sensibilità dovrebbe consentire ai fisici di cercare altri tipi di materia oscura, che possono assumere la forma di solitoni o Q-ball, per esempio.

Tutto questo fa parte di un affascinante processo di evoluzione. La tecnologia alla base del sistema GPS può essere fatta risalire direttamente ai primi tentativi di tracciare la navicella spaziale Sputnik dopo che i sovietici lo lanciarono nel 1957. I fisici si resero presto conto di poter determinare la sua posizione misurando i segnali radio che generava in luoghi diversi.

Non passò molto tempo prima che ribaltassero questa idea. Data la posizione nota di un satellite, è possibile determinare la vostra posizione sulla Terra utilizzando i segnali che trasmette? La costellazione GPS è un discendente diretto di quel filo di pensiero.

Quei fisici sarebbero sicuramente sorpresi di sapere che la tecnologia che hanno sviluppato viene ora utilizzata anche come osservatorio astrofisico di dimensioni planetarie.

Rif: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS come rilevatore di materia oscura: miglioramento degli ordini di magnitudo sugli accoppiamenti di materia oscura goffa e orologi atomici

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