Los astrofísicos convierten la constelación de satélites GPS en un detector gigante de materia oscura

El Sistema de Posicionamiento Global consta de 31 satélites en órbita terrestre, cada uno de los cuales lleva un reloj atómico que envía una señal de tiempo de alta precisión a la tierra. Cualquier persona con un receptor apropiado puede determinar su posición con una precisión de unos pocos metros comparando el tiempo de llegada de las señales de tres o más satélites.

Y este sistema se puede mejorar fácilmente. La precisión de las señales de GPS se puede aumentar mucho más combinando las señales con las producidas en el suelo. Los geofísicos, por ejemplo, utilizan esta técnica para determinar la posición de las estaciones terrestres con una precisión de unos pocos milímetros. De esta forma, pueden medir los minúsculos movimientos de continentes enteros.

Este es un esfuerzo impresionante. Los geofísicos miden rutinariamente la diferencia entre las señales GPS y los relojes en tierra con una precisión de menos de 0,1 nanosegundos. También archivan estos datos proporcionando un registro detallado de cómo las señales GPS han cambiado con el tiempo. Este almacenamiento de archivo abre la posibilidad de utilizar los datos para otros estudios exóticos.

Hoy, Benjamin Roberts de la Universidad de Nevada y algunos amigos dicen que han usado estos datos para descubrir si los satélites GPS pueden haber sido influenciados por la materia oscura, la misteriosa materia invisible que los astrofísicos creen que llena nuestra galaxia. En efecto, estos muchachos han convertido el Sistema de Posicionamiento Global en un observatorio astrofísico de proporciones verdaderamente planetarias.

La teoría detrás de la materia oscura se basa en observaciones de la forma en que giran las galaxias. Este movimiento giratorio es tan rápido que debería enviar estrellas volando hacia el espacio extragaláctico.

Pero esto no sucede. En cambio, una fuerza misteriosa debe mantener las estrellas en su lugar. La teoría es que esta fuerza es la gravedad generada por cosas invisibles que no aparecen en las observaciones astronómicas. En otras palabras, materia oscura.

Si esta teoría es correcta, la materia oscura también debería llenar nuestra galaxia, y mientras el sol hace su majestuosa órbita alrededor del centro galáctico, la Tierra debería atravesar un gran océano de materia oscura.

No hay señales obvias de este material, lo que hace que los físicos piensen que debe interactuar muy débilmente con la materia visible ordinaria. Pero plantean la hipótesis de que si la materia oscura existe en pequeños bultos de tamaño atómico, ocasionalmente podría golpear de frente a los núcleos atómicos, transfiriendo así su energía a la materia visible.

Es por eso que los astrofísicos han construido observatorios gigantes en minas subterráneas para buscar la energía reveladora liberada en estas colisiones. Hasta ahora, no han visto nada. O al menos, no hay consenso de que alguien haya visto evidencia de materia oscura. Por lo tanto, se necesitan desesperadamente otras formas de buscar materia oscura.

Introduzca Roberts y compañía. Comienzan con una visión diferente de en qué puede consistir la materia oscura. En lugar de pequeñas partículas, otra opción es que la materia oscura tome la forma de defectos topológicos en el espacio-tiempo que quedaron del Big Bang. Estos serían fallas en la estructura del universo, como paredes de dominio, que doblan el espacio-tiempo en su vecindad.

Si la Tierra pasara por un defecto de este tipo, cambiaría el campo gravitatorio local ligeramente durante un período de una hora más o menos.

Pero, ¿cómo detectar tal cambio en el campo local? Para Roberts y compañía, la respuesta es clara. De acuerdo con la relatividad, cualquier cambio en la gravedad también cambia la velocidad a la que funciona un reloj. Es por eso que los relojes en órbita funcionan un poco más lentos que los de la superficie.

Si la Tierra ha pasado por algún defecto topológico en el pasado reciente, los datos del reloj de los satélites GPS habrían registrado este evento. Entonces, al buscar en los registros archivados de los geofísicos de los tiempos del reloj del GPS, debería ser posible ver tales eventos.

Esa es la teoría. En la práctica, este trabajo es un poco más complicado porque las señales de tiempo del GPS también están influenciadas por otros factores, como las condiciones atmosféricas, las variaciones aleatorias y otras cosas. Todos estos deben tenerse en cuenta.

Pero una firma clave de un defecto topológico es que su influencia debería barrer la flota de satélites a medida que la Tierra pasa a través de ella. Por lo tanto, se puede descartar cualquier otro tipo de fluctuación de tiempo local.

Roberts y compañía estudian los datos de los últimos 16 años y sus resultados son una lectura interesante. Estos chicos dicen que no han encontrado ninguna señal de que la Tierra haya pasado por un defecto topológico en ese tiempo. No encontramos evidencia de grupos de materia oscura en forma de paredes de dominio, dicen.

Por supuesto, eso no descarta la existencia de materia oscura o incluso que la materia oscura exista en esta forma. Pero pone fuertes límites sobre qué tan comunes pueden ser los defectos topológicos y qué tan fuerte es su influencia.

Hasta ahora, los límites se han establecido utilizando observaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas, que debería revelar defectos topológicos, aunque a baja resolución. El trabajo de Roberts y compañía mejora estos límites en cinco órdenes de magnitud.

Y pronto deberían estar disponibles mejores datos. Los mejores relojes en los laboratorios terrestres son órdenes de magnitud más precisos que los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS. Entonces, una red de relojes en la Tierra debería actuar como un observatorio aún más sensible a los defectos topológicos. Estos relojes recién se están vinculando en redes, por lo que los datos de ellos deberían estar disponibles en los próximos años.

Esta mayor sensibilidad debería permitir a los físicos buscar otros tipos de materia oscura, que pueden adoptar la forma de solitones o Q-balls, por ejemplo.

Todo esto es parte de un fascinante proceso de evolución. La tecnología detrás del sistema GPS se remonta directamente a los primeros intentos de rastrear la nave espacial Sputnik después de que los soviéticos la lanzaran en 1957. Los físicos pronto se dieron cuenta de que podían determinar su ubicación midiendo las señales de radio que generaba en diferentes lugares.

No pasó mucho tiempo antes de que le dieran la vuelta a esta idea. Dada la ubicación conocida de un satélite, ¿es posible determinar su ubicación en la Tierra usando las señales que transmite? La constelación GPS es descendiente directa de ese tren de pensamiento.

Esos físicos seguramente se sorprenderían al saber que la tecnología que desarrollaron ahora también se está utilizando como un observatorio astrofísico de tamaño planetario.

Ref: arxiv.org/abs/1704.06844 : GPS como detector de materia oscura: mejora de órdenes de magnitud en acoplamientos de materia oscura grumosa con relojes atómicos

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