Κυνήγι της σκοτεινής ύλης με δεδομένα GPS
ΟΥΑΣΙΓΚΤΟΝ, D.C.— Μια ομάδα φυσικών χρησιμοποίησε δεδομένα από δορυφόρους GPS για να κυνηγήσει τη σκοτεινή ύλη, το μυστηριώδες υλικό του οποίου η βαρύτητα φαίνεται να συγκρατεί τους γαλαξίες. Δεν βρήκαν σημάδια ενός υποθετικού τύπου σκοτεινής ύλης, που αποτελείται από ελαττώματα στον ιστό του διαστήματος που ονομάζονται τοπολογικά ελαττώματα, ανέφεραν οι ερευνητές εδώ το Σάββατο σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής. Αλλά οι φυσικοί λένε ότι έχουν περιορίσει πολύ τα χαρακτηριστικά για το πώς τα ελαττώματα -αν υπάρχουν- θα αλληλεπιδράσουν με τη συνηθισμένη ύλη. Τα ευρήματά τους δείχνουν πόσο εκπληκτικά καινοτόμες —και, σε αυτήν την περίπτωση, φθηνές— μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δοκιμαστούν νέες ιδέες για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη.
«Είναι τόσο ενδιαφέρον, αναζωογονητικό και συναρπαστικό, και το κόστος είναι βασικά μηδενικό», λέει ο Ντμίτρι Μπάντκερ, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Μάιντς στη Γερμανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. "Είναι βασικά το κόστος των μαθητών που αναλύουν τα δεδομένα."
Οι αστροφυσικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί το 85% της συνολικής ύλης στο σύμπαν. Ωστόσο, μέχρι στιγμής έχουν συμπεράνει την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης μόνο από τη βαρυτική της έλξη. Για δεκαετίες, πολλοί φυσικοί προσπάθησαν να ανιχνεύσουν άμεσα έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για σωματίδια σκοτεινής ύλης, τα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Αλλά ο ενθουσιασμός μειώνεται καθώς οι ολοένα και πιο ευαίσθητοι ανιχνευτές δεν κατάφεραν να βρουν τα σωματίδια που επιπλέουν μέσα από τον γαλαξία μας και περνούν από τη Γη. Τόσοι πολλοί φυσικοί σκέφτονται ευρύτερα για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη.
Για παράδειγμα, αντί για ένα νέο υποατομικό σωματίδιο, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι κάτι πολύ μεγαλύτερο και πιο περίεργο:μακροσκοπικά ρήγματα στο κενό του χώρου που ονομάζονται τοπολογικά ελαττώματα. Τα τοπολογικά ελαττώματα εξηγούνται καλύτερα με μια αναλογία με μαγνητικά υλικά όπως το νικέλιο. Τα άτομα νικελίου λειτουργούν σαν μικροί μαγνήτες και κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα γειτονικά άτομα τείνουν να δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, έτσι ώστε τα μαγνητικά τους πεδία να ενισχύουν το ένα το άλλο. Αλλά αυτή η τακτική ευθυγράμμιση μπορεί να υποστεί ελαττώματα εάν, για παράδειγμα, άτομα σε διαφορετικές περιοχές δείχνουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Όταν συμβεί αυτό, οι περιοχές συναντώνται κατά μήκος μιας απόκρημνης επιφάνειας που ονομάζεται "τοίχος τομέα", που είναι ένας τύπος τοπολογικού ελαττώματος. Μπορεί επίσης να υπάρχουν ελαττώματα που μοιάζουν με σημεία και γραμμικά.
Κάτι παρόμοιο μπορεί να συμβεί και στο ίδιο το διάστημα. Ορισμένες θεωρίες προβλέπουν ότι ο κενός χώρος είναι γεμάτος με ένα κβαντικό πεδίο. Εάν αυτό το πεδίο αλληλεπιδράσει με τον εαυτό του, τότε, καθώς το νηπιακό σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, το πεδίο μπορεί να έχει λάβει μια τιμή ή "φάση", η οποία θα μοιάζει λίγο με την κατεύθυνση στην οποία δείχνουν τα άτομα νικελίου. Οι περιοχές του χώρου με διαφορετικές φάσεις θα συναντώνται τότε στους τοίχους του τομέα. Αυτά τα τοιχώματα τομέα θα έχουν ενέργεια και, μέσω της περίφημης ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, E=mc, μάζα. Έτσι θα δημιουργούσαν βαρύτητα και θα μπορούσαν να είναι σκοτεινή ύλη.
Τώρα, ο Benjamin Roberts και ο Andrei Derevianko, δύο φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα στο Ρίνο, και οι συνάδελφοί τους λένε ότι έχουν πραγματοποιήσει την πιο αυστηρή αναζήτηση μέχρι στιγμής για τοπολογική σκοτεινή ύλη, χρησιμοποιώντας αρχειακά δεδομένα από τον αστερισμό των 31 δορυφόρων GPS σε τροχιά. Κάθε δορυφόρος μεταφέρει ένα ατομικό ρολόι και εκπέμπει σήματα χρονισμού. Οι δέκτες στη Γη χρησιμοποιούν τις πληροφορίες χρονισμού από πολλούς δορυφόρους για να προσδιορίσουν πόσο μακριά είναι από καθέναν από αυτούς και, ως εκ τούτου, τη θέση του.
Για να χρησιμοποιήσουν αυτά τα δεδομένα για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, οι ερευνητές έπρεπε να επικαλεστούν ένα άλλο κομμάτι της κερδοσκοπικής φυσικής. Η θεωρία προτείνει ότι μέσα σε ένα τοπολογικό ελάττωμα, οι σταθερές της φύσης θα αλλάξουν. Συγκεκριμένα, η διέλευση ενός τοπολογικού ελαττώματος θα πρέπει να συνδυάζεται με τη λεγόμενη σταθερά λεπτής δομής, η οποία καθορίζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης και την ακριβή συχνότητα της ακτινοβολίας που ένα άτομο θα απορροφήσει ή θα εκπέμψει καθώς ένα ηλεκτρόνιο σε αυτό πηδά από ένα κβαντισμένο επίπεδο ενέργειας σε άλλο. Αλλά ένα ατομικό ρολόι λειτουργεί μετρώντας ακριβώς μια τέτοια συχνότητα. Έτσι, εάν ένας δορυφόρος GPS διέρχεται από ένα τοπολογικό ελάττωμα, το ελάττωμα θα πρέπει να κάνει το ατομικό ρολόι του δορυφόρου να παρακάμπτει έναν ρυθμό.
Ένα άλμα σε ένα ατομικό ρολόι δεν θα ήταν αρκετή απόδειξη για τοπολογικά ελαττώματα. Έτσι, οι ερευνητές αναζήτησαν ένα ισχυρότερο σήμα, το κύμα των χρονικών μετατοπίσεων που θα σάρωνε ολόκληρο το δίκτυο GPS πλάτους 50.000 χιλιομέτρων, εάν η Γη περνούσε μέσα από έναν μεγάλο τοίχο τομέα καθώς ο γαλαξίας περιστρέφεται στο σύννεφο σκοτεινής ύλης. Συνδυάζοντας δεδομένα GPS 16 ετών, δεν βρήκαν στοιχεία για μετατόπιση μεγαλύτερη από μισό νανοδευτερόλεπτο, είπε ο Roberts στη συνάντηση. Έθεσαν όρια στον αριθμό τέτοιων τοπολογικών ελαττωμάτων και στο πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν με την ύλη - όρια που είναι έως και έξι τάξεις μεγέθους πιο αυστηρά από αυτά που τέθηκαν από προηγούμενες μελέτες εκρήξεων σουπερνόβα. Οι ερευνητές δεν έχουν φθάσει ακόμη τους περιορισμούς που θέτει ο θόρυβος των ρολογιών, ανέφερε ο Roberts, "άρα υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης."
«Φαίνεται σαν μια αξιόλογη μελέτη που πρέπει να συνεχιστεί», λέει ο Glennys Farrar, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης στη Νέα Υόρκη. «Η ιδέα για το πώς θα εξάγατε ένα σήμα ήταν διασκεδαστικό να σκεφτεί κανείς». Ωστόσο, λέει, το συγκεκριμένο μοντέλο σκοτεινής ύλης που δοκιμάζουν ο Roberts, ο Derevianko και οι συνεργάτες του φαίνεται «σχετικά στενό». Για παράδειγμα, σημειώνει, πρέπει να υποθέσουν αυθαίρετα ότι το τοίχωμα του τομέα δεν είναι πολύ παχύτερο από το πλάτος της Γης. Ο Budker συμφωνεί με αυτό το σημείο. Αλλά σημειώνει επίσης ότι το έργο είναι μόνο ένα παράδειγμα μιας σειράς νέων ιδεών που εκκολάπτουν οι φυσικοί για να αναζητήσουν διαφορετικούς τύπους σκοτεινής ύλης.
