Anomalía de sobrevuelo

Se observa un exceso de energía inexplicable durante los sobrevuelos de naves espaciales a la Tierra

Problema sin resolver en física :

¿Qué provoca el cambio inesperado en la aceleración de los sobrevuelos de las naves espaciales?

(más problemas sin resolver en física)

La anomalía de sobrevuelo es una discrepancia entre los modelos científicos actuales y el aumento real de velocidad (es decir, el aumento de la energía cinética ) observado durante un sobrevuelo planetario (generalmente de la Tierra) por parte de una nave espacial. En múltiples casos, se ha observado que las naves espaciales ganan una velocidad mayor que la que los científicos habían predicho, pero hasta ahora no se ha encontrado una explicación convincente. Esta anomalía se ha observado como cambios en la telemetría Doppler y de alcance de banda S y banda X. La discrepancia más grande observada durante un sobrevuelo es minúscula, 13,46 mm/s. ^[1]

Observaciones

Las asistencias gravitacionales son técnicas valiosas para la exploración del Sistema Solar . Debido a que el éxito de estas maniobras de sobrevuelo depende de la geometría exacta de la trayectoria , la posición y la velocidad de una nave espacial durante su encuentro con un planeta se rastrean continuamente con gran precisión mediante telemetría terrestre, por ejemplo a través de la Red de Espacio Profundo (DSN).

Residuos de alcance durante el sobrevuelo de NEAR hacia la Tierra

Durante su sobrevuelo, MESSENGER no observó ninguna anomalía.

La anomalía del sobrevuelo se observó por primera vez durante una inspección cuidadosa de los datos Doppler de la DSN poco después del sobrevuelo de la Tierra de la nave espacial Galileo el 8 de diciembre de 1990. Si bien se esperaba que los residuos Doppler (datos observados menos datos computados) se mantuvieran estables, el análisis reveló un cambio inesperado de 66  mHz , que corresponde a un aumento de velocidad de 3,92 mm/s en el perigeo . Las investigaciones de este efecto en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) y la Universidad de Texas no han arrojado una explicación satisfactoria.

No se detectó ninguna anomalía de este tipo después del segundo sobrevuelo de la Tierra de Galileo en diciembre de 1992, en el que la disminución de la velocidad medida coincidió con la esperada a partir de la resistencia atmosférica a la altitud más baja de 303 km. Sin embargo, las estimaciones de la resistencia tenían grandes barras de error, por lo que no se podía descartar una aceleración anómala. ^[2]

El 23 de enero de 1998, la sonda espacial Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR ) experimentó un aumento anómalo de velocidad de 13,46 mm/s después de su encuentro con la Tierra. Cassini-Huygens ganó alrededor de 0,11 mm/s en agosto de 1999, y Rosetta ganó 1,82 mm/s después de su paso por la Tierra en marzo de 2005.

Un análisis de la sonda espacial MESSENGER (que estudia Mercurio ) no reveló ningún aumento significativo inesperado de la velocidad. Esto puede deberse a que MESSENGER se acercó y se alejó de la Tierra simétricamente respecto del ecuador (ver los datos y la ecuación propuesta a continuación). Esto sugiere que la anomalía puede estar relacionada con la rotación de la Tierra.

En noviembre de 2009, la nave espacial Rosetta de la ESA fue seguida de cerca durante su sobrevuelo para medir con precisión su velocidad, en un esfuerzo por reunir más datos sobre la anomalía, pero no se encontró ninguna anomalía significativa. ^{[3] [4]}

El paso de Juno en 2013 camino de Júpiter no produjo ninguna aceleración anómala. ^[5]

En 2018, un análisis minucioso de la trayectoria del presunto asteroide interestelar ʻOumuamua reveló un pequeño exceso de velocidad a medida que se alejaba del Sol. Las especulaciones iniciales sugirieron que la anomalía se debía a una desgasificación, aunque no se había detectado ninguna. ^[6]

En la siguiente tabla se ofrece un resumen de algunos vuelos de naves espaciales cerca de la Tierra. ^{[3] [7]}

Relación empírica de Anderson

En 2008, JD Anderson et al. propusieron una ecuación empírica para el cambio anómalo de la velocidad de sobrevuelo : ^[12]

$${\displaystyle {\frac {dV}{V}}={\frac {2\omega _{\text{E}}R_{\text{E}}(\cos \varphi _{\text{i}}-\cos \varphi _{\text{o}})}{c}},}$$

donde ω _E es la frecuencia angular de la Tierra, R _E es el radio de la Tierra y φ _i y φ _o son los ángulos ecuatoriales de entrada y salida de la nave espacial. Esta fórmula fue derivada posteriormente por Jean Paul Mbelek a partir de la relatividad especial, lo que dio lugar a una de las posibles explicaciones del efecto. ^[13] Sin embargo, esto no tiene en cuenta los residuos de SSN ; consulte "Posibles explicaciones" a continuación.

Posibles explicaciones

Se han propuesto varias explicaciones para la anomalía del sobrevuelo, entre ellas:

• Una consecuencia postulada de la suposición de que la velocidad de la luz es isótropa en todos los marcos, e invariante en el método utilizado para medir la velocidad de las sondas espaciales por medio del efecto Doppler. ^[14] Los valores anómalos inconsistentes medidos: positivos, nulos o negativos se explican simplemente relajando esta suposición. Durante las maniobras de sobrevuelo, los componentes de velocidad de la sonda en la dirección del observador V _o se derivan del desplazamiento relativo d f de la radiofrecuencia f transmitida por la sonda, multiplicado por la velocidad local de la luz c ′ por el efecto Doppler: V _o = (d f / f ) c ′ . Según la hipótesis de Céspedes-Curé, ^[15] el movimiento a través de campos de densidad de energía gravitatoria variable produce ligeras variaciones del índice de refracción n ′ del espacio y, por lo tanto, de la velocidad de la luz c ′, lo que conduce a correcciones no explicadas de los datos Doppler que se basan en un invariante c . Esto conduce a estimaciones incorrectas de la velocidad o del cambio de energía en la maniobra de sobrevuelo en el marco de referencia de la Tierra.
• Efecto Doppler transversal no tenido en cuenta , es decir, el corrimiento al rojo de una fuente de luz con velocidad radial cero y tangencial distinta de cero. ^[13] Sin embargo, esto no puede explicar la anomalía similar en los datos de medición de distancia.
• Un halo de materia oscura alrededor de la Tierra. ^[16]
• También se ha investigado el impacto de la relatividad general , en su forma de campo débil y linealizada que produce fenómenos gravitomagnéticos como el arrastre de marco : ^[17] resulta ser incapaz de explicar la anomalía del sobrevuelo.
• La explicación clásica de la gravedad retardada en el tiempo propuesta por Joseph C. Hafele . ^[18]

  

  Residuos de rango SSN para el sobrevuelo NEAR con rango y retardo

• Retardo excesivo proporcional al alcance de la señal de telemetría revelado por los datos de alcance de la Red de Vigilancia Espacial de los Estados Unidos en el sobrevuelo NEAR. ^[19] Este retraso, que explica la anomalía tanto en los datos Doppler como en los de alcance, así como las oscilaciones Doppler posteriores, con un margen de error del 10 al 20 %, apunta a modos de chirrido en la recepción debido a la frecuencia Doppler, lo que predice una anomalía positiva solo cuando el seguimiento por DSN se interrumpe alrededor del perigeo, y una anomalía cero o negativa si se realiza un seguimiento continuo. No debería producirse ninguna anomalía en el seguimiento Doppler por estaciones que no sean DSN. ^[20]
• La acción de una corriente de torsión topológica predice anomalías de sobrevuelo en dirección retrógrada, pero tiene efecto nulo cuando la nave espacial se aproxima al planeta en dirección prograda con respecto al sentido de rotación planetario. ^[21]
• El análisis del sobrevuelo de Juno se centró en los errores de análisis que podrían imitar la anomalía del sobrevuelo. Se descubrió que se necesitaba un campo gravitatorio de alta precisión de al menos 50×50 coeficientes para realizar predicciones precisas del sobrevuelo. El uso de un campo gravitatorio de menor precisión (como un modelo con 10×10 coeficientes, suficiente para el análisis del lanzamiento), arrojaría un error de velocidad de 4,5 mm/s. ^[5]

Investigación relacionada

Algunas misiones diseñadas para estudiar la gravedad, como MICROSCOPE y STEP , están diseñadas para realizar mediciones de gravedad extremadamente precisas y pueden arrojar algo de luz sobre la anomalía. ^[22] Sin embargo, MICROSCOPE ha completado su misión, sin encontrar nada anómalo, ^[23] y STEP aún no ha volado.

Véase también

• Lista de problemas sin resolver en física
• Dinámica newtoniana modificada
• Anomalía pionera

Referencias

1. "La sonda espacial Rosetta de la ESA podría ayudar a desentrañar un misterio cósmico". Agencia Espacial Europea. 12 de noviembre de 2009. Consultado el 11 de agosto de 2024 .
2. Edwards, C.; Anderson, J.; Beyer, P.; Bhaskaran, S.; Borders, J.; DiNardo, S.; Folkner, W.; Haw, R.; Nandi, S.; Nicholson, F.; Ottenhoff, C.; Stephens, S. (16 de agosto de 1993). Seguimiento de Galileo en el perigeo de Tierra-2 utilizando el sistema de satélites de seguimiento y retransmisión de datos (PDF) (Informe). CiteSeerX 10.1.1.38.4256 . hdl :2014/34792. Archivado (PDF) desde el original el 18 de abril de 2022. {{cite report}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )Los dos métodos [de medición] produjeron ajustes similares a los datos. Dentro de una incertidumbre del ocho por ciento, ambos métodos produjeron una disminución de la velocidad a lo largo de la trayectoria de -5,9 ± 0,2 mm/s. Las predicciones a priori para el cambio de velocidad inducido por la resistencia, basadas en el modelo de Jacchia-Roberts, fueron de -6,2 ± 4,0 mm/s [5], claramente consistente con el cambio de velocidad observado. Por el contrario, los datos de DSN del sobrevuelo de la Tierra de diciembre de 1990, a una altitud de 956 km, indicaron un aumento inexplicable de la velocidad a lo largo de la trayectoria de 4 mm/s, después de tener en cuenta los efectos de resistencia mucho menores. Dada la incertidumbre en los modelos de resistencia, no podemos descartar de manera concluyente la posibilidad de que se produjera un aumento similar en Tierra 2. Por ejemplo, un aumento no modelado de 4 mm/s y una disminución de la resistencia de -10 mm/s serían compatibles con nuestros resultados y nuestro modelo atmosférico a priori. Sin embargo, aumentos de velocidad anómalos significativamente mayores parecerían inconsistentes con el modelo de arrastre.
3. "El misterio persiste: Rosetta no logra observar una anomalía en el paso". ESA. Archivado desde el original el 23 de diciembre de 2009.
4. J. Biele (2012). «Navegación de las naves espaciales interplanetarias Rosetta y Philae y determinación del campo gravitatorio de cometas y asteroides - (DLR) @ TU München, 2012» (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2014-11-29 . Consultado el 2014-11-18 .
5. Thompson, Paul F.; Mateo Abrahamson; Shadan Ardalan; Juan Bordi (2014). Reconstrucción del sobrevuelo de la Tierra por la nave espacial Juno. 24ª Reunión de Mecánica de Vuelos Espaciales AAS/AIAA. Santa Fe, Nuevo México: AAS. págs. 14–435.
6. Es el asteroide interestelar realmente un cometa?
7. Anderson, John D.; James K. Campbell; Michael Martin Nieto (julio de 2007), "El proceso de transferencia de energía en los sobrevuelos planetarios", New Astronomy , 12 (5): 383–397, arXiv : astro-ph/0608087 , Bibcode :2007NewA...12..383A, doi :10.1016/j.newast.2006.11.004, S2CID  15913052
8. Stephen Clark (22 de septiembre de 2017). "La misión de asteroides OSIRIS-REx recibe un impulso gravitacional del planeta Tierra". Spaceflight Now.
9. "SOBREVUELO TIERRA BEPICOLOMBO".
10. LA NAVE ESPACIAL JUNO DE LA NASA ENVÍA LAS PRIMERAS IMÁGENES DE SOBREVUELO DE LA TIERRA MIENTRAS NAVEGA HACIA JÚPITER
11. Resultado del vuelo terrestre de Hayabusa2
12. Anderson; et al. (7 de marzo de 2008). "Cambios anómalos en la energía orbital observados durante los sobrevuelos de naves espaciales a la Tierra" (PDF) . Physical Review Letters . 100 (9): 091102. Bibcode :2008PhRvL.100i1102A. doi :10.1103/physrevlett.100.091102. PMID  18352689. Archivado desde el original (PDF) el 4 de junio de 2016 . Consultado el 15 de febrero de 2011 .
13. Mbelek, JP (2009). "La relatividad especial puede explicar las anomalías en el paso de naves espaciales". arXiv : 0809.1888 [qr-qc].
14. Greaves, Eduardo D.; Bracho, Carlos; Mikoss, Imre (2020). "Una solución al enigma de la anomalía del sobrevuelo". Progreso en Física . 16 (1): 49.
15. Cespedes-Cure, Jorge (2002). Einstein a juicio o principios metafísicos de la filosofía natural (1ª ed.). Venezuela: et al. Organización. ISBN 0-9713873-0-3.
16. Adler, SL (2009), "¿Puede la anomalía del sobrevuelo atribuirse a la materia oscura ligada a la Tierra?", Physical Review D , 79 (2): 023505, arXiv : 0805.2895 , Bibcode :2009PhRvD..79b3505A, doi :10.1103/PhysRevD.79.023505, S2CID  13152802
17. Iorio, L. (2009). "El efecto de la relatividad general en las órbitas hiperbólicas y su aplicación a la anomalía de sobrevuelo". Scholarly Research Exchange . 2009 : 7695. arXiv : 0811.3924 . Bibcode :2009ScReE2009.7695I. doi : 10.3814/2009/807695 .
18. Hafele, Joseph C. (abril de 2013). "La versión causal de la teoría newtoniana por retardo temporal del campo gravitatorio explica las anomalías de sobrevuelo" (PDF) . Progreso en Física . 2 (2): 3. Bibcode :2013PrPh....9b...3H. ISSN  1555-5534.
19. Antreasian, Peter G.; Guinn, Joseph R. (1998-08-10). Investigaciones sobre el inesperado aumento de Delta-V durante la asistencia gravitatoria de GALILEO y NEAR (PDF) . Conferencia y exposición de especialistas en astrodinámica de la AIAA/AAS. Boston, Massachusetts: AIAA. CiteSeerX 10.1.1.613.5871 . hdl :2014/20322. AIAA 98-4287. Archivado (PDF) desde el original el 2022-01-19 . Consultado el 2017-05-06 . 
20. Guruprasad, V. (2015). "Evidencia observacional de que los modos de onda viajera presentan cambios proporcionales a la distancia". EPL . 110 (5): 54001. arXiv : 1507.08222 . Bibcode :2015EL....11054001G. doi :10.1209/0295-5075/110/54001. S2CID  42285652.
21. Pinheiro, Mario J. (2016). "Algunos efectos de las corrientes de torsión topológicas en la dinámica de las naves espaciales y la anomalía del sobrevuelo". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 461 (4): 3948–3953. arXiv : 1606.00691 . Bibcode :2016MNRAS.461.3948P. doi : 10.1093/mnras/stw1581 .
22. Páramos, Jorge; Hechenblaikner, G. (2013). "Investigación de la anomalía del sobrevuelo con la futura misión STE-QUEST". Ciencias Planetarias y Espaciales . 79–80: 76–81. arXiv : 1210.7333 . Código Bibliográfico :2013P&SS...79...76P. doi :10.1016/j.pss.2013.02.005. ISSN  0032-0633. S2CID  119287334.
23. Touboul, P.; Métris, G.; Rodrigues, M.; Bergé, J.; Robert, A.; Baghi, Q.; et al. (2022). "Misión MICROSCOPE: resultados finales de la prueba del principio de equivalencia". Physical Review Letters . 129 (12): 121102. arXiv : 2209.15487 . Código Bibliográfico :2022PhRvL.129l1102T. doi :10.1103/PhysRevLett.129.121102. PMID  36179190. S2CID  252468544.

Literatura

• JD Anderson; JG Williams (2001), "Pruebas de largo alcance del principio de equivalencia", Class. Quantum Grav. , 18 (13): 2447–2456, Bibcode :2001CQGra..18.2447A, doi :10.1088/0264-9381/18/13/307, S2CID  250861959.
• C. Lämmerzahl; O. Preuss; H. Dittus (2006), "¿Se entiende realmente la física dentro del sistema solar?", Actas del 359.° Seminario WE-Heraeus sobre "Láseres, relojes y fricción libre: tecnologías para la exploración futura en el espacio y pruebas de gravedad" , arXiv : gr-qc/0604052 , Bibcode :2006gr.qc.....4052L.
• JD Anderson; JK Campbell; MM Nieto (2007), "El proceso de transferencia de energía en los sobrevuelos planetarios", New Astronomy , 12 (5): 383–397, arXiv : astro-ph/0608087 , Bibcode :2007NewA...12..383A, doi :10.1016/j.newast.2006.11.004, S2CID  15913052.
• La NASA desconcertada por una fuerza inexplicable que actúa sobre las sondas espaciales (2008), en Space.com .
• JD Anderson; JK Campbell; JE Ekelund; J. Ellis; JF Jordan (2008), "Cambios anómalos de energía orbital observados durante los sobrevuelos de naves espaciales a la Tierra" (PDF) , Phys. Rev. Lett. , 100 (91102): 091102, Bibcode :2008PhRvL.100i1102A, doi :10.1103/PhysRevLett.100.091102, PMID  18352689, archivado desde el original (PDF) el 2008-10-16.
• Se busca: Einstein Jr (2008), en Economist.com.
• K. Svozil (2007). "Análogos microfísicos de anomalías de sobrevuelo". New Astronomy . 12 (5): 383–397. arXiv : 0804.2198 . Bibcode :2007NewA...12..383A. doi :10.1016/j.newast.2006.11.004. S2CID  15913052.

Enlaces externos

• Lämmerzahl, Claus (2008). "La anomalía pionera o ¿realmente entendemos la física del sistema solar?" (pdf; 6,25 MB, charla/diapositivas) . Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad . Universidad de Bremen. p. 123.
• Aste, Andreas (2008). "Anomalías de naves espaciales: una actualización" (PDF) . Departamento de Física . Universidad de Basilea. p. 29. Archivado desde el original (pdf; 9.8 MB, charla/diapositivas) el 2016-11-07 . Consultado el 2009-10-01 .