天文物理學家用GPS衛星群探測暗物質

如果地球從一片暗物質海中掃過，它會在GPS衛星的時鐘數據中留下痕迹 。我們對GPS 並不陌生，它可以用來定位，測量距離，跟蹤，現在它又有了新功能：天文台。

全球定位系統（GPS）由31顆衛星組成，每個衛星攜帶一枚高精度原子鐘，向地面不斷發送時間信號。地面上的接收器接收到三個衛星的信號就可以根據時間差來算出自己的地理位置。在地面基站的幫助下，GPS的信號精度還能進一步提升。

一些地球物理學家在GPS的時間信號的輔助下，將各個地面基站之間的距離精確到了毫米，他們曾經用這個技術成功測量了大陸的微小運動。他們還不間斷地以0.1 納秒的精度測量GPS 之間以及地面基站之間的時間差，並將這些數據保存了下來。現在這些記錄又有了新的用途。

內華達大學天體物理學家BenjaminRoberts和他的同事相信，暗物質的存在可以影響GPS 衛星的信號，他們打算從記錄的GPS 信號中搜尋到暗物質的蛛絲馬跡：GPS衛星群被改造成了一個「天文台」

暗物質的理論是建立在觀察星系旋轉的基礎上的。理論上星系的旋轉速度很快，有些恆星便可能掉隊，飛出星系，進入星系際空間。但是這並沒有發生。相反，恆星好像被一種神秘的力量牢牢地綁在了一起，並沒有一個恆星掉隊。

很多人認為這種力量其實是一種看不見的物質的引力，這種物質就是暗物質。如果這個理論是正確的，暗物質必須充滿著整個銀河系，太陽和地球也都穿梭於暗物質的海洋里。

但是迄今為止還沒有找到暗物質的一點痕迹，物理學家們猜測它與普通的可見物質只有很弱的相互作用。同時他們假設了暗物質很可能存在於原子的尺度上，會與原子核發生偶然的碰撞，從而將能量轉移到可見物質上面。

基於這個推測，天物理學家們在大型礦坑中建造了很多觀察台，他們希望可以捕捉到從這些碰撞中釋放出來的能量。不過目前為止，什麼也沒有發現。至少，那些現有的暗物質存在的證據，都還存在爭論。

Robert 和他的同事對暗物質的構成持有不同的意見。他們認為暗物質不是一種由粒子構成的物質，而是宇宙大爆炸後留下的拓撲時空缺陷，換句話說就是時空的小褶皺。當地球從缺陷中穿行而過，它會對局部的重力場產生一個持續數小時之久微小改變，我們可以通過這個改變來探測暗物質的存在。

但是如何探測局部重力場的改變呢？Robert 和他的同事已經有了一個清晰的答案。根據相對論，重力的改變也會造成處於這個重力場的時鐘速度的改變（這也是為什麼地球軌道上運行的時鐘比地球上的時鐘稍微慢一點）。

如果地球在不久之前穿過了這個拓撲的缺陷，那麼已經穿過這片區域的GPS 衛星的時鐘速度會變慢。通過搜尋地球物理學家歸檔的GPS時鐘數據，應該可以看到這些時鐘變慢事件。

以上只是理論，實際應用要更複雜，因為GPS的信號還會受到其它因素的干擾，比如大氣層條件，隨機的擾動和其它的因素。這些都要考慮在內。但是拓撲缺陷的一個顯著特點是當地球從中穿過時，GPS 衛星陣也會穿越其中，兩者產生相同的偏差相互抵消，所以任何局部的擾動都可以排除在外了。

然而，Roberts和其同事研究了過去 16 年的數據後發現，地球並沒有穿行於拓撲缺陷中。「我們沒有找到暗物質的證據，」他們說。當然，這個結果並也不足以否定暗物質存在，不過也從另一面說明了拓撲缺陷的罕見性，以及它對可見物質的影響很微弱。

一直以來，科學家都是依據很早就發現的宇宙微波背景輻射來量化拓撲缺陷，而Robert的工作將精度提高了五個量級。而且隨著技術的升級，更好的數據即將出現。

地面上最好的時鐘比GPS 衛星上的時鐘精度都高，所以如果在地球上建立一個時鐘網路，它會比GPS時鐘網路更精確。而建造網路並不困難，只需將不同的基站連網，新的質量更好的數據便呼之欲出。而更高的精度也使物理不家得以尋找其它形式的暗物質，例如孤子和Q-ball。

GPS 的技術最早可以追溯到前蘇聯發射的第一顆人造衛星。在衛星升空後不久，物理學家便意識到，可以利用衛星發射的無線電信號來決定位置。不久之後，這個想法就被付諸實踐。

在知道衛星位置的情況下，不同衛星發出的信號可以得出你在地球上的位置。經過多年研究，GPS衛星群呼之欲出。如今，GPS 已經走近了千家萬戶，當初的那些物理學家們一定不會想到，GPS 衛星竟然可以被用來測量暗物質。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！