QUE OCURRE CON LA GRAVEDAD

QUE OCURRE CON LA GRAVEDAD

25 marzo, 2019 Desactivado Por Sandra
QUE OCURRE CON LA GRAVEDAD
En 1859, el mismo año en que Darwin publicaba su revolucionario y polémico texto, el astrónomo francés Urbain Jean Joseph Leverrier descubría ciertasdiscrepancias entre las posiciones vistas de Mercurio y las calculadas con las ecuaciones de la mecánica celeste. Según la gravitación newtoniana Mercurio debe seguir una órbita elíptica alrededor del Sol. Actualmente bien, si incluimos los tirones gravitacionales del resto de los mundos aparece un efecto peculiar: la órbita no se mantiene estática en el cosmos, sino que además se desplaza alrededor del Sol. Esta rotación orbital se conoce comoavance del perihelio (que es llegar al punto de la órbita más cercano al Sol), y se puede calcular con iguales ecuaciones de la mecánica celeste. El resultado, después de farragosos cálculos, es de un avance continuado de 531 segundos de arco por siglo. O mencionado de otro modo, el perihelio de Mercurio da una vuelta completa alrededor del Sol cada 244.000 años.
El inconveniente estaba en que las observaciones de Leverrier no cuadraban con la predicción teórica: el perihelio de Mercurio viajaba un 8% más deprisa de lo predicho por la mecánica newtoniana. Leverrier postuló que esta discrepancia era debida a la influjo de un mundo incluso no detectado situado entre Mercurio y el Sol, que bautizó con el nombre de Vulcano. Años anteriormente, en 1846, había deducido la existencia de Neptuno por las perturbaciones gravitacionales que provocaba en la órbita de Urano y esta situación aparentaba ser la misma. Tras intensas e infructuosas búsquedas, los astrónomos decidieron que Vulcano no existía y dejaron aparcado en un oscuro rincón de el saber la casi inapreciable discrepancia teoría-experimento de 43 segundos de arco por siglo. Una minúscula diferencia que iba a revolucionar la física.

En 1915, Albert Einstein lanzaba su relatividad general, una nueva hipotesis de la gravedad que completaba y ampliaba la formulada por Newton en 1687. Y fue esa insignificante chinita que llevaba en el zapato de la astronomía más de 70 años la que le dio el espaldarazo. La hipotesis de Newton no podía aclarar esa diferencia tan exigua; la de Einstein, sí. En el cosmos incluso las más ínfimas diferencias son cruciales. desde aquel momento, la relatividad general es la hipotesis estándar de la gravedad, el cimiento encima del que se asienta la cosmología moderna. Actualmente bien, ¿es la hipotesis concluyente? Varios físicos piensan que no. Porque hoy poseemos datos igualmente minúsculos que se resisten a una explicación. Por ejemplo, ciertosmisteriosos movimientos de la Luna.
La sonda no tripulada soviética Luna-2 -el primer ingenio humano que tomó tierra en otro cuerpo del Sistema Solar- y los cosmonautas de las misiones Apolo 11, 14 y 15 dejaron sobre la polvorienta superficie de nuestro satélite una serie de reflectores de aluminio, unos espejitos de 50 centímetros cuadrados que permiten calcular la separación a la Tierra con una precisión del orden de un centímetro. Todo un logro teniendo en cuenta que la Luna se encuentra a 384.000 km de nosotros.
Después de analizar 38 años de mediciones, James G. Williams del Jet Propulsion Laboratoryde la NASA reveló que la órbita lunar se está haciendo cada vez más elíptica. En 2006 publicó sus cuentas: la diferencia entre llegar al punto más lejano y el más cercano de la órbita estaba aumentando inesperadamente a un ritmo de 6 milímetros por año. Después de tener en cuenta diferentes efectos, como las fricciones de marea en el interior de la Tierra y la Luna, Williams confirmó que la diferencia seguía siendo mayor de lo esperado, casi en un causa 3. Por el instante, no tenemos una explicación clara a esa desviación.
Otra señal de que algo puede estar pasando con la gravedad la tenemos en la determinación de la unidad de separación utilizada por los astrónomos cuando se refieren a equipos solares: la unidad astronómica (UA). Definida como la separación media de la Tierra al Sol -149,6 millones de kilómetros- se obtiene por medio observaciones en ondas de radio de las posiciones relativas entre los mundos interiores, con una precisión de entre 1 y 10 metros. Esto se realiza desde radiobservatorios terrestres o por telemetría desde las sondas espaciales. Así, se han utilizado los transpondedores llevados a Marte por las sondasViking desde 1976 a 1982 y los de la Pathfinder en 1997.
Luego se comparan con las posiciones planetarias calculadas con las ecuaciones de la mecánica celeste y se obtiene el valor de la velocidad de la luz en unidades astronómicas por día, en lugar de los habituales metros por segundo. Como la velocidad de la luz es una constante, basta con pasar de días a segundos para obtener el valor de la unidad astronómica en metros. El valor aceptado en el presente se calcula a partir de las efemérides D405 del Jet Propulsion Laboratory (JPL), aunque en la Europa del Este se usa el de las efemérides EPM2004 del Instituto de Astronomía Aplicada de la Academia de Ciencias Rusa. Veamos lo poco que discrepan ambos cálculos, que se pueden achacar a errores experimentales: los norteamericanos han obtenido el valor de 149597870697 metros y los rusos, 149597870696,0. Con una precision de once cifras, es la constante astronómica más precisa jamás medida.
en cambio es posible que la UA no sea tan constante como los astrónomos suponen. En 2004 E. Myles Standish del JPL afirmó que, utilizando los datos recolectados entre 1976 y 1997, la UA aparentaba crecer con el tiempo. O lo que es lo mismo, el radio de la órbita terrestre está aumentando. Ese mismo año los rusos Georgij Krasinsky y Victor Brumberg, del Instituto de Astronomía aplicada de San Petersburgo, analizaban más de 200.000 observaciones y descubrían que aumentaba a un ritmo de 15 metros por siglo. En 2005, la astrónoma Elena Pitjeva, del mismo Instituto, publicaba un examen incluso más detallado de 317.000 observaciones que iban desde 1913 a 2003. Los resultados de la astrónoma, que determinan el valor de la UA con una precisión de un metro, revelan que crece unos 7 metros por siglo. ¡Y no debería hacerlo!
sin embargo, la anomalía más enigmatica de todas es la descubierta con las sondas espaciales Pioneer 10 y 11. Las dos están saliendo del Sistema Solar en direcciones distintos, pero no se localizan donde los investigadores esperaban. La Pioneer 10 fue lanzada en marzo de 1972 y, tras investigar Júpiter, va camino de la estrella Aldebarán, donde llegará en el interior de 2 millones de años. Mientras, la Pioneer 11, lanzada al año siguiente, pasó al lado a Júpiter y Saturno y actualmente viaja hacia la constelación del Águila; pasará cerca de la estrella lamda Aquila en 4 millones de años. A finales de la década de 1990 Michael Martin Nieto del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Philip Laing y Anthony Liu de Aerospace Corporation y John D. Anderson, Slava Turyshev y Eunice Lau del JPL estudiaron los datos recolectados de la Pioneer 10 durante 11 años y de la Pioneer 11 durante 4. Y encontraron que estaban ligeramente fuera de curso. Las naves experimentaban una débil pero constante deceleración: en 1998 la Pioneer 10 estaba 58.000 kilómetros más cerca de lo esperado y la otra nave gemela estaba 6.000 km más cerca. Algo casi insignificante tras 10.500 millones de kilómetros, pero muy significativo porque la mecánica celeste es lo suficientemente exacta para dar cuenta de esta anomalía. ¿Quién pisa el freno de las naves? Gran cantidad han sido las teoría pero ninguna ha podido explicarlo de forma satisfactoria. ¿Se trata de algúnefecto no gravitatorio o es la señal de que hay algo en la gravedad que se nos escapa?

EL EFECTO ALLAIS

A mediados del siglo pasado el matemático Maurice Allais, que ganaría el Premio Nobel de Economía en 1988, afirmó haber hallado un comportamiento raro en un péndulo. La física más elemental nos dice que el plano en el cual oscila un péndulo es constante en el tiempo, no se mueve, a pesar de que la Tierra gire sobre sí misma. Esto hace que los visitantes se queden maravillados con el conocido péndulo de Foucault situado en la entrada de demasiados museos de ciencia. Pero Allais afirmó haber hallado durante los eclipses solares de 1954 y de 1959 que esto no era así. Según él, el plano de oscilación presentaba un levísimo desplazamiento -precesión, en términos técnicos-.
Esta misma anomalía ha sido descrita por Saxl y Allen en 1970 y un equipo de investigadores chinos durante los eclipses de 1997, 2001 y 2002. Y tambien en 1961 el rumano Jeverdan publicó este comportamiento anómalo del péndulo en una revista científica de habla no inglesa, por lo cual quedó condenado al olvido. De todas las explicaciones alternativas propuestas ninguna ha explicado estas desviaciones de la hipotesis, pero además debe señalarse que las distintos mediciones realizadas incluso actualmente no son completamente convincentes. Se precisan más experimentos demasiado más precisos para poder establecer el valor exacto de esta anomalía. Unos experimentos baratos de realizar -algo poco normal en una era de grandes aceleradores o carísimos satélites artificiales- y que de ser comprobado podría revolucionar la física.

En 2006 Slava Turyshev pudo salvar de la destrucción parte de los discos que contenían datos telemétricos, temperatura y de potencia de las Pioneer incluso 2003. Al lado con Viktor Toth, un programador de Ottawa, Canadá, diseñó el modo de extraer esos datos: el procesado de 50 años de telemetría no es moco de pavo. Pensaban que quizá pudiera aclarar esta anomalía la energía liberada por el reactor de plutonio que se perdía en el cosmos en figura de calor. en cambio, los cálculos mostraron que solo daba cuenta del 30%. Ante estos resultados, no es de extrañar que Viktor Toth dijera: “Si verdaderamente tuviéramos un medio demedir las desviaciones de la gravedad einsteniana en el Sistema Solar, ¡sería fenomenal!”.

Por desgracia, lo que se ha hecho con lasPioneer no se puede hacer con la otra pareja de naves gemelas lanzadas en los 1970 que están saliendo de nuestro Sistema Solar, lasVoyager: el gas que eyectan de forma continuada para estabilizarse enmascara cualquier otro efecto. La única oportunidad que poseeremos para comprobar este enigmatico fenómeno será con la New Horizons. Lanzada en enero de 2006, pasó por Júpiter en 2007 y porSaturno al año siguiente camino de Plutón, donde llegará en 2015. Desgraciadamente, esta nave no ha sido preparada para un seguimiento de precisión como sucedió con las Pioneer, pero los astrónomos admiten que quizá puedan sacar algún apunte de utilidad que arroje algo de luz encima del enigma en 2010 y 2011. Pero las rarezas gravitatorias no terminan aquí. En 2008 los investigadores del JPL James K. Campbell, John E. Ekeland, James F. Jordan y John D. Anderson anunciaban en la prestigiosa revista Physical Review Letters el descubrimiento decambios anómalos en la energía orbital de 6 naves que se auxiliaron del campo gravitatorio de la Tierra en su ruta hacia diferentes mundos, una maniobra clásica para ahorrar combustible que recibe el nombre de flyby.
La primera pista de esta anomalía la obtuvieron siguiendo el flyby de la sonda Galileo el 8 de diciembre de 1990. La nave se estaba aproximando a la Tierra a una velocidad de 8,981 metros por segundo. Tras descontar todas las influencias del resto de los mundos y la Luna descubrieron que iba muy deprisa. El exceso era muy pequeño, del orden de 4 milímetros por segundo. Indudablemente no era demasiado, pero estaba ahí, como el exceso de Mercurio. ¿Pudo tratarse de un error de medida? No se sabe. En el nuevo paso dos años más tarde la Galileo atravesó las capas altas de la atmósfera, lo que impidió cualquier intento de hacer una medición precisa. en cambio, el paso de la Near Earth Asteroid Rendezvous-Shoemaker (NEAR-Shoemaker) el 23 de enero de 1998 además enseñó ese aumento de velocidad, casi tres veces mayor que la medida en la Galileo, 13,5 mm/s. Los astrofísicos estaban estupefactos. Cuando la nave Rosetta hizo su flyby en 2005 la anomalía medida fue de 2 mm/s.
¿Qué provoca ese aumento? Nadie lo sabe. En el siguiente flyby de Rosetta de noviembre de 2007 nada pareció afectar su velocidad. en cambio, la Cassini-Huygens, actualmente en órbita alrededor de Saturno, ganó 0,11 mm/s. No es de extrañar que los astrónomos esperen con gran interés el siguiente paso de la Rosetta anteriormente de enfilar su objetivo, el cometa Churyumov-Gerasimenko, el 13 de noviembre de este año. Un efecto que podrá comprobarse en años posteriores, cuando la nave Juno se lance en 2011 con destino a Júpiter y utilice el campo gravitatorio terrestre como lanzadera en octubre de 2013.

Gran cantidad son las explicaciones que se han dado para estos insolitos fenómenos. La mayoría tienen que ver con efectos bien conocidos, como el calor radiado por las Pioneer. Pero si quien pisa el freno es la emisión térmica de la nave ¿por qué al ir enfriándose la fuente de calor la nave no acelera? El ritmo al cual están frenando se ha mantenido constante a lo largo de 11 años. En 2006 Claus Lämmerzahl y Hansjörg Dittus de la Universidad de Bremen y Olivier Preuss del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar estudiaron de forma sistemática todas las explicaciones dadas como posible provoca de las anomalías de losflyby: la atmósfera terrestre, las mareas oceánicas, las mareas sólidas terrestres, la carga de la sonda, el campo magnético, el viento solar… Ninguna explica más del 10% del total y el efecto de la mayoría de las posibles causas es 1.000 veces más pequeño de lo necesario para afectar a la astronave.
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¿Nos enfrentamos con una nueva física? Eso piensan unos cuantos astrofísicos, que sospechan que nos encontramos a las puertas de una nueva hipotesis de la gravedad. ?Desde la década de 1970 los astrónomos conocen que las regiones más externas de las galaxias parecen violar las leyes de la gravitación newtoniana?, dice John D. Anderson. Por aquella era todo el planeta esperaba que los astros de esas zonas se comportaran siguiendo las inexcusables leyes de la mecánica celeste: la velocidad orbital se reduce a medida que nos alejamos del centro galáctico. en cambio, se localizó quetodas los astros situadas en las zonas exteriores de la galaxia se mueven a la misma velocidad independientemente de su separación al centro. La única forma de reconciliar la gravedad newtoniana con las observaciones era postulando la existencia de un halo de materia que rodea la galaxia. Claro que esta solución provocaba modernos e incómodos interrogantes. ¿Por qué no observamos ninguna traza de su existencia? Si fuera materia normal emitiría un mínimo de radiación, pero no recibimos ni un solo fotón de ese supuesto halo.

¿Solución? Una nueva huída hacia adelante afirmando que se trata de algo completamente distinto y raro a la que sabemos y sobre la que no hay la más mínima evidencia de qué puede tratarse, un tipo de materia indetectable que solo se deja ver por el influjo gravitacional que provoca en los astros circundantes. Esta es la materia oscura, un caramelo para los físicos teóricos pues tienen patente de corso para estirar sus hipotesis y sacar de la chistera partículas de lo más peregrinas que puedan dar cuenta de unas propiedades tan coloristas.
La materia oscura se enfrenta a un peculiar reto: han pasado casi 80 años desde que Fritz Ziwcky postulada su existencia por primera vez y nadie sabe qué es; ni siquiera hay una observación directa que nos confirme que está ahí. En el presente hay una decena de experimentos en marcha en laboratorios subterráneos -como el de Canfranc en el Pirineo aragonés- esperando ver una partícula de materia oscura chocando con un núcleo atómico. Diferentes doce pretenden detectar la aniquilación de una pareja de partículas de materia oscura mientras se espera a que el LHC de Ginebra, el conocido acelerador que se estropeó al poco tiempo de inaugurarse, pueda producirla. Ante esta sequía de evidencias lo que la física está pidiendo es un acto de fe, muy comparable al que pidió en el siglo XIX con el además indetectable éter, infinitamente rígido y elástico a la vez.

LA FUNDACIÓN PARA LA INVESTIGACIÓN EN GRAVEDAD 
En 1948 el empresario Roger Babson creaba esta fundación destinada a localizar la forma de construir un escudo gravitatorio. Al igual que en las películas de ciencia ficción, o la famosa piedra cavorita con la que H. G. Wells llevó a sus protagonistas a la Luna, su finalidad es rastrear la forma de impedir que la gravedad desarrolle su trabajo. Inclusive creó un premio anual destinado a aquellos investigadores que hicieran progresos en este campo. La fundación se esfumó al poco de tiempo de la muerte de Babson en 1967, pero su premio continúa, que Stephen Hawking ha ganado en distintos ocasiones.
Tal situación ha sembrado un bien fundado escepticismo entre varios cosmólogos. los investigadores del Fermilab de Chicago Scott Dodelson y Michele Liguori buscan evidencias que justifiquen la existencia de una nueva hipotesis de la gravedad capaz de aclarar la estructura a gran escala del cosmos. “Debemos estar condenadamente seguros de que no podemos aclarar el cosmos de otro modo que no sea aceptando la materia oscura”, dice Dodelson. El camino al que apuntan es modificar la hipotesis de Einstein, hacerla más precisa, del mismo modo que hizo el genio alemán al completar la gravitación universal de Isaac Newton.
Una posibilidad es la llamada hipotesis de la gravedad relativista covariante, formulada en 2004 por Jacob Bekenstein. Está basada en una versión modificada de la hipotesis newtoniana publicada en 1983 por Mordehai Milgrom. Según este físico israelí la hipotesis de Newton no se aplica bien a regiones de densidad de materia exageradamente baja. Según él la gravedad es más intensa en equipos difusos y esto puede aclarar el movimiento de los astros en las regiones exteriores sin tener que hace uso de la invisible y enigmatica materia oscura. Así, de igual modo que la hipotesis newtoniana no se aplica en campos gravitatorios potentes y debe ser sustituida por la einsteniana, quizá sea necesaria una nueva hipotesis para regiones con campos muy débiles. Esta propuesta inicial de Milgrom ha sido retomada, completada y corregida por Bekenstein. Pero aun hay demasiado camino por recorrer. “Debemos comprobar todas los pronosticos de la nueva hipotesis y compararla con el paradigma de la materia oscura para ver si es una alternativa viable”, añade Liguori.

Otro físico, John Moffat, ha propuesta una hipotesis gravitacional no-simétrica que además pretende aclarar el enigma de la materia oscura. En esencia sigue el mismo camino que recorrió Einstein en los últimos años de su vida y fracasó: localizar una hipotesis unificada de campos. El tema es gran cantidad técnico y la clave reside en comparar las ecuaciones del campo electromagnético con las del gravitatorio. Entre ellas hay una peculiar diferencia que si se solventase apuntaría a “la existencia de una nueva fuerza fundamental en el cosmos“, dice Moffat.
Las complicaciones matemáticas de esta aventura científica son homéricas y incluso el instante solo se han hallado aproximaciones a lo que podría ser una nueva hipotesis, pero los escasos físicos que realizan labores en ello piensan que van a poder expulsar del cosmos esa incomprensible materia oscura.
Y si no teníamos bastante con ella, en 1997 los cosmólogos añadieron una complicación incluso mayor: ese año se reveló que el cosmos estaba acelerando. La relatividad general dice que, si no hay más materia que la que arde, es increible luego “algo” debe estar empujando. ¿El qué? Nada más fácil. Ya teníamos la materia oscura para aclarar el movimiento de los astros, luego introduzcamos algo incluso más raro para aclarar esta aceleración: laenergía oscura. sin embargo, un pequeño número de investigadores sostienen que no es más que una nueva indicación de que debemos modificar nuestra concepción de la gravedad. Entre ellos se localizan Martin Kunz y Domenico Sapone. El inconveniente fundamental, como estos dos físicos declaran, es que “no podemos ver directamente ni la energía oscura ni la gravitación modificada”. No hay forma de diferenciar experimentalmente entre ambas: “las dos parecen lo mismo”, añade Kunz. Su esperanza se encuentra en investigar ciertos aspectos relacionados con el fenómeno conocido como lente gravitacional, esto es, el efecto que tiene en el camino recorrido por un rayo de luz la presencia de campos gravitatorios cercanos. El tiempo dirá si Einstein poseía razón después de todo.

from otra realidad

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