Astrofísicos transformam os satélites GPS em um detector gigante de matéria escura

Se a Terra está navegando em um oceano de matéria escura, os efeitos devem ser visíveis em dados de relógio de satélites GPS.

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Artigo traduzido de MIT Technology Review

O Sistema de Posicionamento Global consiste em 31 satélites em órbita terrestre, cada um carregando um relógio atômico que envia um sinal de tempo altamente preciso ao solo. Qualquer pessoa com um receptor apropriado pode calcular sua posição com grande precisão, comparando a hora de chegada de sinais de três ou mais satélites.

E este sistema pode ser facilmente melhorado. A precisão dos sinais GPS pode ser muito maior combinando os sinais com os produzidos no solo. Os geofísicos, por exemplo, usam esta técnica para determinar a posição das estações terrestres dentro de alguns milímetros. Desta forma, eles podem medir os pequenos movimentos de continentes inteiros.

Este é um empreendimento impressionante. Geofísicos rotineiramente medem a diferença entre os sinais GPS e relógios no solo com uma precisão de menos de 0,1 nanossegundo. Eles também arquivam esses dados fornecendo um registro detalhado de como os sinais GPS mudaram ao longo do tempo. Este armazenamento arquivístico abre a possibilidade de utilizar os dados para outros estudos exóticos.

Hoje, Benjamin Roberts, da Universidade de Nevada, e alguns colegas disseram que usaram esses dados para descobrir se os satélites GPS podem ter sido influenciados pela matéria escura, o misterioso material invisível que os astrofísicos pensam preencher nossa galáxia. Dessa forma, esses caras transformaram o Sistema de Posicionamento Global em um observatório astrofísico de proporção verdadeiramente planetária.

A teoria por trás da matéria escura baseia-se em observações do modo como as galáxias giram. Este movimento de giro é tão rápido que deve arremessar estrelas para o espaço extra galáctico.

Mas isso não acontece. Em vez disso, uma força misteriosa de alguma forma mantém as estrelas no lugar. A teoria é que essa força é a gravidade gerada por material invisível que não aparece em observações astronômicas. Em outras palavras, matéria escura.

Se esta teoria estiver correta, a matéria escura deve preencher nossa galáxia, também, e conforme o Sol faz sua órbita majestosa ao redor do centro galáctico, a Terra deve navegar através de um grande oceano de matéria escura.

Não há nenhum sinal óbvio desta matéria, o que faz com que os físicos pensem que ela deva interagir muito fracamente com a matéria visível comum. Mas eles hipotetizam que, se a matéria escura existe em pequenos pedaços de tamanho atômico, ela pode ocasionalmente atingir os núcleos atômicos em cheio, transferindo assim sua energia para a matéria visível.

É por isso que os astrofísicos construíram observatórios gigantes em minas subterrâneas para procurar a energia reveladora liberada nessas colisões. Até agora, eles não viram nada. Ou, pelo menos, não há consenso de que alguém tenha visto evidências de matéria escura. Assim, outras maneiras de procurar matéria escura são desesperadamente necessárias.

Roberts e seus colegas começam com uma visão diferente do que a matéria escura pode consistir. Em vez de pequenas partículas, outra opção é que a matéria escura pode tomar a forma de defeitos topológicos no espaço-tempo remanescentes do Big Bang. Elas seriam falhas no tecido do universo, como paredes de domínio, que dobram o espaço-tempo em sua vizinhança.

Se a Terra passar por tal defeito, mudaria o campo gravitacional local ligeiramente ao longo de um período de uma hora mais ou menos.

Mas como detectar tal mudança no campo local? Para Roberts e seus colegas, a resposta é clara. De acordo com a relatividade, qualquer mudança na gravidade também altera a velocidade com que um relógio anda. É por isso que os relógios em órbita são um pouco mais lentos do que os da superfície.

Se a Terra passou por qualquer defeito topológico no passado recente, os dados do relógio dos satélites GPS teriam gravado este evento. Assim, pesquisando através de registros geofísicos arquivados de horários de relógio GPS, deve ser possível ver esses eventos.

Essa é a teoria. Na prática, este trabalho é um pouco mais complicado porque os sinais de tempo GPS também são influenciados por outros fatores, como condições atmosféricas, variações aleatórias e outras coisas. Tudo isso precisa ser levado em conta.

Mas uma assinatura chave de um defeito topológico é que sua influência deve varrer a frota de satélites enquanto a Terra passa por ela. Assim, qualquer outro tipo de flutuação cronometrada local pode ser descartada.

Roberts e colegas estudaram os dados ao longo dos últimos 16 anos, e os seus resultados são uma leitura interessante. Esses caras dizem que não encontraram nenhum sinal de que a Terra tenha passado por um defeito topológico naquele tempo. “Não encontramos evidência de aglomerados de matéria escura sob a forma de paredes de domínio”, dizem eles.

Claro, isso não exclui a existência de matéria escura ou mesmo que a matéria escura exista nesta forma. Mas coloca limites fortes em como os defeitos topológicos comuns podem ser e quão forte é sua influência.

Até agora, os limites foram estabelecidos usando observações da radiação cósmica de fundo de microondas, que deve revelar defeitos topológicos, embora em baixa resolução. O trabalho de Roberts e colegas melhora esses limites por cinco ordens de grandeza.

E melhores dados devem estar disponíveis em breve. Os melhores relógios em laboratórios da Terra são muitas ordens de grandeza mais precisos do que os relógios atômicos a bordo de satélites GPS. Assim, uma rede de relógios na Terra deve agir como um observatório ainda mais sensível para defeitos topológicos. Esses relógios estão sendo interligados, então os dados deles devem estar disponíveis nos próximos anos.

Essa maior sensibilidade deve permitir que os físicos procurem outros tipos de matéria escura, que podem assumir a forma de solitons ou Q-balls, por exemplo.

Tudo isso faz parte de um fascinante processo de evolução. A tecnologia por trás do sistema GPS pode ser rastreada diretamente para as primeiras tentativas de rastrear a espaçonave Sputnik após os soviéticos a lançarem em 1957. Físicos logo perceberam que eles poderiam determinar a sua localização, medindo os sinais de rádio que geravam em diferentes lugares.

Não demorou muito para que eles transformassem essa ideia em sua cabeça. Dada a localização conhecida de um satélite, é possível determinar sua localização na Terra usando os sinais que transmite? Os satélites GPS são descendentes diretos dessa linha de pensamento.

Esses físicos certamente ficariam surpresos ao saber que a tecnologia que desenvolveram também está sendo usada agora como um observatório astrofísico de proporções planetárias.

Ref: arxiv.org/abs/1704.06844: GPS as a Dark-Matter Detector: Orders-of-Magnitude Improvement on Couplings of Clumpy Dark Matter to Atomic Clocks.

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