Astronomen hebben de atoomklokken aan boord van navigatiesatellieten ingezet om eventuele foutjes in de ruimtetijd op te sporen.

Het is misschien wel de grootste inconvenient truth binnen de sterrenkunde: astronomen ontdekken steeds beter hoe ons heelal in elkaar steekt, maar wat donkere materie is, kunnen ze ons nog steeds niet vertellen. En dat terwijl we het hier allesbehalve over een randverschijnsel hebben; zo’n 85 procent van de massa in ons universum bestaat uit deze mysterieuze vorm van materie. Een team van Amerikaanse en Canadese wetenschappers heeft nu geprobeerd om donkere materie te identificeren op een verrassende manier: door handig gebruik te maken van het gps-netwerk dat de aarde omhult.

Exotische scenario’s

De meeste pogingen om donkere materie te vinden tot nu toe gingen uit van het meest ‘conservatieve’ scenario: dat het mysterieuze spul bestaat uit nog onbekende deeltjes. Daarom zijn er allerlei grote experimenten opgetuigd die deze deeltjes moesten waarnemen.

Probleem is alleen dat al deze zoektochten nog niet echt iets hebben opgeleverd. “En omdat er geen bewijs is voor de meer mainstream-ideeën, is het heel redelijk om alternatieve, meer exotische scenario’s te bekijken”, zegt donkere-materie-expert Gianfranco Bertone (Universiteit van Amsterdam).

Eén zo’n exotisch scenario gaat uit van de mogelijkheid dat er vlak na de oerknal ‘foutjes’ in het heelal zijn geslopen; zogenoemde topologische defecten. Die zouden nu platte vlakken, draden of punten in de ruimtetijd vormen. En die verstoringen zouden de verschillende donkere-materie-effecten ook kunnen veroorzaken, zonder dat daar nieuwe deeltjes voor opgevoerd (en ontdekt) hoeven te worden.

Maar hoe kom je dat soort foutjes op het spoor? Daar hebben natuurkundige Benjamin Roberts (Universiteit van Nevada) en collega’s nu een wel heel originele methode voor ingezet. Zij hebben namelijk bekeken of het gps-netwerk misschien de afgelopen jaren is verstoord doordat de aarde door een topologisch defect bewoog.

Atoomklok in de war

Om te snappen hoe dat zit, eerst even uitleggen hoe gps werkt. Dit systeem bestaat momenteel uit 31 satellieten die op een hoogte van ruim 20.000 kilometer rond de aarde bewegen. Het hart van elk van deze satellieten wordt gevormd door een atoomklok, die heel precies de tijd meet. Deze metingen worden vervolgens via microgolfstraling naar de aarde gestuurd, waar navigatiesystemen de tijdsgegevens van drie of meer satellieten kunnen combineren om hun plaats te bepalen tot op enkele meters nauwkeurig.

Zo’n gps-klok kan de tijd zo precies meten dankzij de atomen cesium of rubidium. De elektronen die rond deze atomen cirkelen, zenden namelijk licht uit dat altijd exact dezelfde golflengte heeft. Tenminste: bijna altijd. Mocht de aarde door een topologisch defect vliegen, dan maakt dat de anders zo betrouwbare atoomklokken in de war. Bepaalde waarden die normaal gesproken altijd hetzelfde zijn, zoals de massa van het elektron, worden eventjes ietsje hoger of lager.

Daardoor verandert ook de golflengte van het licht dat de atomen in de atoomklok uitzenden – en daarmee de tijdmeting, waardoor deze vorm van donkere materie met gps-gegevens is te betrappen. ‘Een slim idee’, vindt de niet bij het onderzoek betrokken Bertone, ‘dat deel uitmaakt van een grotere inspanning om donkere materie te identificeren, of op zijn minst het aantal mogelijkheden in te perken.’

Nu weet iedereen die weleens op zijn TomTom heeft gescholden dat gps sowieso niet altijd perfect werkt. De aardatmosfeer kan bijvoorbeeld het signaal verstoren, of de zonnewind – een stroom van deeltjes afkomstig van onze zon – beïnvloedt de satellieten. Maar als we te maken hebben met een topologisch defect, dan heeft dat een heel specifiek effect op het gps: alle satellieten krijgen er achtereenvolgens mee te maken. (Terwijl de zonnewind bijvoorbeeld de satellieten ontziet die zich op dat moment aan de andere kant van de aarde bevinden.)

Aardse netwerken

Roberts en zijn team besloten de proef op de som te nemen en een flinke berg aan gps-data door te spitten: van mei 2000 tot oktober 2016. Daarbij ging het overigens niet om de gps-data die je smartphone vertelt waar je loopt, maar om de nog veel preciezere positiedata die geologen met een systeem van gespecialiseerde ontvangers uit gps weten te knijpen. Daarmee kunnen ze bijvoorbeeld de bewegingen van de continenten in de gaten houden – een toepassing waarvoor posities tot op de millimeter nauwkeurig moeten worden bepaald.

Daaruit kwam helaas niets – anders had je inmiddels wel krantenkoppen gezien à la ‘Donkere-materie-mysterie eindelijk opgelost’. Dat betekent echter niet per se dat er dus geen topologische defecten zijn. Alleen dat áls ze er zijn, ze de gps-satellieten blijkbaar maar zo weinig verstoren dat dit effect niet uit de data is te halen.

Roberts en collega’s gooien de handdoek echter nog niet in de ring. In de toekomst willen ze aan de slag met data van atoomklokken op aarde, die vele malen beter zijn dan de klokken die zich aan boord van de gps-satellieten bevinden en die momenteel ook aan elkaar worden gekoppeld in netwerken. Wie weet blijkt daar dan uit dat donkere materie inderdaad het gevolg is van foutjes in de ruimtetijd – of dat de grootste inconvenient truth van de sterrenkunde nog wat langer overeind blijft.

Bronnen: ArXiv.org, MIT Technology Review

Beeld: NASA (header), Benjamin M. Roberts et al. (illustratie)