【科技應用】用GPS來找暗物質

■全球定位系統(GPS)不只可以用來幫我們找路,告訴我們目前的位置,甚至有可能來幫助我們尋找暗物質(dark matter)。

This two-clocks-illustration shows the pattern of how two atomic clocks would desynchronize and then resynchronize due to a lump of dark matter sweeping through a Global Positioning System or other atomic clock based network. Credit: Andrei Derevianko, University of Nevada, Reno. Read more at: http://phys.org/news/2014-11-elusive-dark-gps-satellites.html#jCp
Credit: Andrei Derevianko, University of Nevada, Reno.

撰文|陳勁豪

根據天文學家的估計,如果把全宇宙的質量跟能量合計,我們用望遠鏡觀察到的所有物質大約占全部的4.9%,而暗物質大約占26.8%,另外68.3%則是屬於暗能量(dark energy)。

事實上,暗物質是種假想的物質型態,因為根據目前的理論,我們根本不知道暗物質是什麼。儘管如此,至少科學家可以告訴我們,暗物質有些什麼特性。首先,這些暗物質因為不與電磁力作用,所以不會反射任何光線,因此沒有辦法被望遠鏡直接觀察到。某種程度而言,這也是它之所以被稱為暗物質的原因。第二,這些暗物質也不會是一些我們用望遠鏡看不到的星際塵埃。的確,星際塵埃也是不會發光,但是我們可以透過分析這些星際塵埃的吸收光譜來發現他們的存在。第三,這些暗物質也不會是一般的反物質。因為如果這些暗物質的確是由反物質所構成的話,那麼我們應該會看到很多因為正反物質相互湮滅所產生的大量X光。

由於沒有辦法推估暗物質的形式及質量,物理學家運用各種方法進行實驗,希望能夠發現暗物質的蹤跡。其中一種方法是利用粒子對撞機,例如位於瑞士的大強子對撞機,希望在高能量的質子對撞中能夠發現暗物質。另外一種方法是在地底進行實驗,希望能夠看到暗物質跟原子核碰撞的證據。天文學家則是尋找宇宙中是否有強烈X光的源頭,因為這也可能是暗物質存在的跡象。

美國內華達大學的Andrei Derevianko及加拿大維多利亞大學跟Perimeter Institute for Theoretical Physics的 Maxim Pospelov提出了一個新的方法:利用GPS來尋找暗物質。

對我們的日常生活而言,GPS是當我們開車在外時幫我們確認位置,甚至找路的好幫手。GPS主要的作用原理是根據GPS衛星上的原子鐘精確定時的能力,利用不同衛星所發出的訊號到觀測者之間的時間差來進行定位。

那這兩位物理學家事打算如何用GPS來尋找暗物質呢?他們認為可能是宇宙時空結構中的一些異常狀態,也有可能像是一團看不見的雲霧一樣。當GPS衛星系統隨著地球移動的時候,有可能會碰巧掃過這些時空結構的異常狀態,或是碰到這些雲霧般的暗物質。這時GPS衛星中的原子鐘便有可能因此受到擾動。換句話說,透過GPS原子中的些許擾動,他們可以把整套GPS衛星系統變成最靈敏的暗物質偵測器。

Derevianko利用位於Nevada Geodetic Laboratory的GPS資料來驗證他們的想法。這個實驗室擁有全世界最大量的GPS數據,全年無休的收集來自全世界12000個資料站的數據。如果他們可以看到原本應該是同步的衛星出現微小的異常,例如十億分之一秒的誤差,那麼他們可能就可以看到這些暗物質。

這個方法會不會成功呢?大家都在拭目以待。

原始論文
Hunting for topological dark matter with atomic clocks
A. Derevianko & M. Pospelov
Nature Physics 10, 933–936 (2014)
doi:10.1038/nphys3137

相關報導:
Phys.org 2014/11/17: Elusive dark matter may be detected with GPS satellites

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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