Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
194 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
45 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Probing Primordial Black Holes and Dark Matter Clumps in the Solar System with Gravimeter and GNSS Networks (2403.14397v1)

Published 21 Mar 2024 in astro-ph.CO, astro-ph.EP, gr-qc, and hep-ph

Abstract: We show that Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and gravimeters on Earth and in space can potentially offer the most accurate direct measurement of local density of near-Earth asteroid-mass Primordial Black Holes (PBHs) and Dark Matter (DM) clumps in the solar system by means of gravitational influence. Using semi-analytical methods and Monte Carlo simulation, this paper revisits the analysis of the trajectories of DM clumps in the solar system, including both captured objects and hyperbolic trajectories. A link is thus made between the frequency and distance of Earth overflights for a given mass flux, and a direct measure of dark matter clump density in the solar system. We then model the signature of a close flyby of a DM object on orbital data from GNSS satellites and gravity measurements from gravimeters. We thus obtain a first assessment of the single probe sensitivity. It paves the way for an exhaustive statistical analysis of 28 years of gravimeters and GNSS data to obtain observational constraints on the density of the PBHs and DM clumps within the solar system, for the mass range $[108-10{17}]$ kg. In addition, our methodology offers a possibility of direct detection in cases where DM clumps are endowed with an additional long-range clump-matter fifth-force beyond gravity.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (52)
  1. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  2. S. Hawking, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 152, 75 (1971).
  3. B. J. Carr and S. W. Hawking, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 168, 399 (1974).
  4. E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984).
  5. M. B. Wise and Y. Zhang, Phys. Rev. D 90, 055030 (2014), [Erratum: Phys.Rev.D 91, 039907 (2015)], arXiv:1407.4121 [hep-ph] .
  6. A. Kusenko and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 87, 141301 (2001), arXiv:astro-ph/0106008 [astro-ph] .
  7. S. I. Blinnikov and M. Khlopov, Sov. Astron. 27, 371 (1983).
  8. M. Khlopov, Int. J. Mod. Phys. A 28, 1330042 (2013), arXiv:1311.2468 [astro-ph.CO] .
  9. C. Hogan and M. Rees, Physics Letters B 205, 228 (1988).
  10. E. Seidel and W.-M. Suen, Phys. Rev. Lett. 72, 2516 (1994), arXiv:gr-qc/9309015 .
  11. E. Braaten and H. Zhang, Rev. Mod. Phys. 91, 041002 (2019), arXiv:1810.11473 [hep-ph] .
  12. J. Auffinger, Eur. Phys. J. C 82, 384 (2022), arXiv:2201.01265 [astro-ph.HE] .
  13. R. Foot, Acta Phys. Polon. B 32, 3133 (2001), arXiv:hep-ph/0107132 .
  14. N. Seto and A. Cooray, Phys. Rev. D 70, 063512 (2004), arXiv:astro-ph/0405216 .
  15. A. W. Adams and J. S. Bloom,   (2004), arXiv:astro-ph/0405266 .
  16. A. Derevianko and M. Pospelov, Nature Phys. 10, 933 (2014), arXiv:1311.1244 [physics.atom-ph] .
  17. L. Visinelli and J. Redondo, Phys. Rev. D101, 023008 (2020), arXiv:1808.01879 [astro-ph.CO] .
  18. N. P. Pitjev and E. V. Pitjeva, Astron. Lett. 39, 141 (2013), arXiv:1306.5534 [astro-ph.EP] .
  19. J. Scholtz and J. Unwin, Phys. Rev. Lett. 125, 051103 (2020), arXiv:1909.11090 [hep-ph] .
  20. A. Siraj and A. Loeb, Astrophys.J.Lett. 898, L4 (2020), arXiv:2005.12280 .
  21. J. Edsjo and A. H. G. Peter,   (2010), 10.48550/arxiv.1004.5258.
  22. L. Iorio, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2010 (2010), 10.1088/1475-7516/2010/05/018, arXiv:1001.1697v7 .
  23. I. B. Khriplovich and D. L. Shepelyansky, International Journal of Modern Physics D 18, 1903 (2009), arXiv:0906.2480v3 .
  24. X. Xu and E. R. Siegel,   (2008).
  25. Y. V. Stadnik, Phys. Rev. D 102, 115016 (2020), arXiv:2006.00185 [hep-ph] .
  26. P. Delva et al., Phys. Rev. Lett. 121, 231101 (2018), arXiv:1812.03711 [gr-qc] .
  27. S. Herrmann et al., Phys. Rev. Lett. 121, 231102 (2018), arXiv:1812.09161 [gr-qc] .
  28. C. J. Horowitz and R. Widmer-Schnidrig, Phys. Rev. Lett. 124, 051102 (2020), arXiv:1912.00940 [astro-ph.EP] .
  29. M. A. Amin and M. Mirbabayi,   (2022), arXiv:2211.09775 [hep-ph] .
  30. N. Dalal and A. Kravtsov, Phys. Rev. D 106, 063517 (2022), arXiv:2203.05750 [astro-ph.CO] .
  31. E. Bagui et al. (LISA Cosmology Working Group),   (2023), arXiv:2310.19857 [astro-ph.CO] .
  32. B. Carr and F. Kuhnel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355 (2020), arXiv:2006.02838 [astro-ph.CO] .
  33. S. Clesse and J. García-Bellido, Phys. Dark Univ. 15, 142 (2017), arXiv:1603.05234 [astro-ph.CO] .
  34. N. Esser and P. Tinyakov, Phys. Rev. D 107, 103052 (2023), arXiv:2207.07412 [astro-ph.HE] .
  35. J. Bovy and S. Tremaine, Astrophys. J. 756, 89 (2012), arXiv:1205.4033 [astro-ph.GA] .
  36. A. Fienga and O. Minazzoli, Living Rev. Rel. 27, 1 (2024), arXiv:2303.01821 [gr-qc] .
  37. K. F. Wakker, Fundamentals of astrodynamics (TU Delft Library, 2015).
  38. L. Malyshkin and S. Tremaine, Icarus 141, 341 (1998).
  39. V. S. Aslanov, in Rigid Body Dynamics for Space Applications (Butterworth-Heinemann, 2017) pp. 255–356.
  40. “Orbital and Technical Parameters — European GNSS Service Centre,” .
  41. A. M. Dziewonski and D. L. Anderson, in Physics of the Earth and Planetary Interiors, Vol. 25 (Elsevier, 1981) pp. 297–356.
  42. “Preliminary Reference Earth Model (PREM),” .
  43. “SciPy v1.9.3 Manual Documentation - scipy.signal.welch,” .
  44. P. D. Welch, IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics 15, 70 (1967).
  45. J. Griffiths and J. Ray, Journal of Geodesy 83, 277 (2008).
  46. L. Prange, D. Arnold, R. Dach, M. S. Kalarus, S. Schaer, P. Stebler, A. Villiger,  and A. Jäggi, “CODE product series for the IGS-MGEX project,”  (2020).
  47. “Scripps orbit and permanent array center (sopac), california spatial reference center,” http://sopac-csrc.ucsd.edu/index.php/fps-orbits (2023).
  48. “Global geodetic observing system (ggos),” https://ggos.org/item/gnss-orbits-clocks (2023).
  49. I. S. Board, “Iau sofa software collection,” .
  50. “Astropy,” .
  51. S. Rosat and J. Hinderer, Scientific Reports 8 (2018), 10.1038/s41598-018-33717-z.
  52. J. Peterson (1993).
Citations (3)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now