Des astrophysiciens transforment une constellation de satellites GPS en un détecteur géant de matière noire

Le système de positionnement global se compose de 31 satellites en orbite terrestre, chacun transportant une horloge atomique qui envoie un signal de synchronisation très précis au sol. Toute personne disposant d'un récepteur approprié peut déterminer sa position à quelques mètres près en comparant l'heure d'arrivée des signaux de trois satellites ou plus.

Et ce système peut facilement être amélioré. La précision des signaux GPS peut être beaucoup plus élevée en combinant les signaux avec ceux produits au sol. Les géophysiciens, par exemple, utilisent cette technique pour déterminer la position des stations au sol à quelques millimètres près. De cette façon, ils peuvent mesurer les minuscules mouvements de continents entiers.

C'est une entreprise impressionnante. Les géophysiciens mesurent régulièrement la différence entre les signaux GPS et les horloges au sol avec une précision inférieure à 0,1 nanoseconde. Ils archivent également ces données en fournissant un enregistrement détaillé de l'évolution des signaux GPS au fil du temps. Cet archivage ouvre la possibilité d'utiliser les données pour d'autres études exotiques.

Aujourd'hui, Benjamin Roberts de l'Université du Nevada et quelques amis disent avoir utilisé ces données pour savoir si les satellites GPS ont pu être influencés par la matière noire, la mystérieuse substance invisible qui, selon les astrophysiciens, remplit notre galaxie. En effet, ces gars ont transformé le système de positionnement global en un observatoire astrophysique de proportion véritablement planétaire.

La théorie de la matière noire est basée sur des observations de la rotation des galaxies. Ce mouvement de rotation est si rapide qu'il devrait envoyer des étoiles s'envoler dans l'espace extra-galactique.

Mais cela n'arrive pas. Au lieu de cela, une force mystérieuse doit en quelque sorte maintenir les étoiles en place. La théorie est que cette force est la gravité générée par des choses invisibles qui n'apparaissent pas dans les observations astronomiques. Autrement dit, la matière noire.

Si cette théorie est correcte, la matière noire devrait également remplir notre galaxie, et alors que le soleil fait son orbite majestueuse autour du centre galactique, la Terre devrait traverser un grand océan de matière noire.

Il n'y a aucun signe évident de cette substance, ce qui fait penser aux physiciens qu'elle doit interagir très faiblement avec la matière visible ordinaire. Mais ils émettent l'hypothèse que si la matière noire existe en petits morceaux de taille atomique, elle pourrait occasionnellement heurter les noyaux atomiques de front, transférant ainsi leur énergie à la matière visible.

C'est pourquoi les astrophysiciens ont construit des observatoires géants dans les mines souterraines pour rechercher l'énergie révélatrice libérée lors de ces collisions. Pour l'instant, ils n'ont rien vu. Ou du moins, il n'y a pas de consensus sur le fait que quiconque ait vu des preuves de matière noire. D'autres moyens de rechercher la matière noire sont donc désespérément nécessaires.

Entrez Roberts et compagnie. Ils commencent par une vision différente de ce que peut être la matière noire. Au lieu de petites particules, une autre option est que la matière noire peut prendre la forme de défauts topologiques dans l'espace-temps laissés par le Big Bang. Ce seraient des pépins dans le tissu de l'univers, comme des murs de domaine, qui plient l'espace-temps dans leur voisinage.

Si la Terre traversait un tel défaut, cela modifierait légèrement le champ gravitationnel local sur une période d'environ une heure.

Mais comment détecter un tel changement dans le champ local ? Pour Roberts et co, la réponse est claire. Selon la relativité, tout changement de gravité modifie également la vitesse à laquelle une horloge tourne. C'est pourquoi les horloges en orbite fonctionnent un peu plus lentement que celles de la surface.

Si la Terre a traversé des défauts topologiques dans un passé récent, les données d'horloge des satellites GPS auraient enregistré cet événement. Ainsi, en recherchant dans les enregistrements archivés des géophysiciens des synchronisations d'horloge GPS, il devrait être possible de voir de tels événements.

C'est la théorie. En pratique, ce travail est un peu plus compliqué car les signaux de synchronisation GPS sont également influencés par d'autres facteurs tels que les conditions atmosphériques, les variations aléatoires et d'autres choses. Tous ces éléments doivent être pris en compte.

Mais une signature clé d'un défaut topologique est que son influence devrait balayer la flotte de satellites au fur et à mesure que la Terre la traverse. Ainsi, tout autre type de fluctuation temporelle locale peut être exclu.

Roberts et co étudient les données au cours des 16 dernières années, et leurs résultats constituent une lecture intéressante. Ces gars-là disent qu'ils n'ont trouvé aucun signe que la Terre ait traversé un défaut topologique à cette époque. Nous ne trouvons aucune preuve d'amas de matière noire sous la forme de murs de domaine, disent-ils.

Bien sûr, cela n'exclut pas l'existence de matière noire ou même que la matière noire existe sous cette forme. Mais cela impose de fortes limites à la fréquence des défauts topologiques et à la force de leur influence.

Jusqu'à présent, les limites ont été fixées à l'aide d'observations du rayonnement de fond diffus cosmologique, qui devraient révéler des défauts topologiques, bien qu'à faible résolution. Le travail de Roberts et co améliore ces limites de cinq ordres de grandeur.

Et de meilleures données devraient être bientôt disponibles. Les meilleures horloges des laboratoires terrestres sont des ordres de grandeur plus précises que les horloges atomiques à bord des satellites GPS. Ainsi, un réseau d'horloges sur Terre devrait agir comme un observatoire encore plus sensible des défauts topologiques. Ces horloges commencent tout juste à être reliées entre elles dans des réseaux, les données qu'elles contiennent devraient donc être disponibles dans les années à venir.

Cette plus grande sensibilité devrait permettre aux physiciens de rechercher d'autres types de matière noire, qui peuvent prendre la forme de solitons ou de Q-balls, par exemple.

Tout cela fait partie d'un fascinant processus d'évolution. La technologie derrière le système GPS remonte directement aux premières tentatives de suivi du vaisseau spatial Spoutnik après son lancement par les Soviétiques en 1957. Les physiciens ont vite réalisé qu'ils pouvaient déterminer son emplacement en mesurant les signaux radio qu'il générait à différents endroits.

Il ne fallut pas longtemps avant qu'ils renversent cette idée. Étant donné la position connue d'un satellite, est-il possible de déterminer votre position sur Terre à l'aide des signaux qu'il diffuse ? La constellation GPS est un descendant direct de ce courant de pensée.

Ces physiciens seraient sûrement étonnés de savoir que la technologie qu'ils ont développée est maintenant utilisée comme un observatoire astrophysique de taille planétaire.

Réf : arxiv.org/abs/1704.06844 : Le GPS comme détecteur de matière noire : amélioration des ordres de grandeur sur les couplages de matière noire agglomérée aux horloges atomiques

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