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Anomalía pionera

La anomalía Pioneer , o efecto Pioneer , fue la desviación observada respecto de las aceleraciones previstas de las naves espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11 después de que pasaron unas 20 unidades astronómicas (3 × 10 9  km; 2 × 10 9  mi) en sus trayectorias fuera del Sistema Solar . La aparente anomalía fue un tema de mucho interés durante muchos años, pero posteriormente se ha explicado por la presión de radiación anisotrópica causada por la pérdida de calor de la nave espacial.

Las dos naves espaciales Pioneer están escapando del Sistema Solar, pero están perdiendo velocidad bajo la influencia de la gravedad del Sol . Tras un examen minucioso de los datos de navegación, se descubrió que las naves espaciales estaban perdiendo velocidad ligeramente más de lo esperado. El efecto es una aceleración extremadamente pequeña hacia el Sol, de(8,74 ± 1,33) × 10 −10  m/s 2 , lo que equivale a una reducción de la velocidad de salida en1 km/h durante un período de diez años. Las dos naves espaciales fueron lanzadas en 1972 y 1973. La aceleración anómala se observó por primera vez en 1980, pero no se investigó seriamente hasta 1994. [1] La última comunicación con ambas naves espaciales fue en 2003, pero el análisis de los datos registrados continúa.

Se propusieron varias explicaciones, tanto del comportamiento de la nave espacial como de la propia gravitación, para explicar la anomalía. Durante el período de 1998 a 2012, se aceptó una explicación particular. Las naves espaciales, que están rodeadas por un vacío ultraalto y cada una está alimentada por un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), pueden emitir calor solo a través de la radiación térmica . Si, debido al diseño de la nave espacial, se emite más calor en una dirección particular por lo que se conoce como anisotropía radiativa , entonces la nave espacial aceleraría ligeramente en la dirección opuesta del exceso de radiación emitida debido al retroceso de los fotones térmicos . Si el exceso de radiación y la presión de radiación concomitante apuntaran en una dirección general opuesta al Sol, la velocidad de la nave espacial alejándose del Sol disminuiría a un ritmo mayor que el que podría explicarse por fuerzas reconocidas previamente, como la gravedad y la fricción traza debido al medio interplanetario (vacío imperfecto).

En 2012, varios artículos de diferentes grupos, todos ellos reanalizando las fuerzas de presión de radiación térmica inherentes a la nave espacial, mostraron que una contabilidad cuidadosa de esto explica toda la anomalía; por lo tanto, la causa es mundana y no apunta a ningún fenómeno nuevo ni a la necesidad de actualizar las leyes de la física. [2] [3] El análisis más detallado hasta la fecha, realizado por algunos de los investigadores originales, analiza explícitamente dos métodos de estimación de las fuerzas térmicas, concluyendo que "no hay ninguna diferencia estadísticamente significativa entre las dos estimaciones y [...] que una vez que se tiene en cuenta adecuadamente la fuerza de retroceso térmico , no queda ninguna aceleración anómala". [4]

Descripción

Las Pioneer 10 y 11 fueron enviadas en misiones a Júpiter y Júpiter/Saturno respectivamente. Ambas naves espaciales fueron estabilizadas por rotación para mantener sus antenas de alta ganancia apuntando hacia la Tierra usando fuerzas giroscópicas . Aunque las naves espaciales incluían propulsores, después de los encuentros planetarios se utilizaron solo para maniobras de exploración cónica semestrales para rastrear la Tierra en su órbita, [5] dejándolas en una larga fase de "crucero" a través del Sistema Solar exterior. Durante este período, ambas naves espaciales fueron contactadas repetidamente para obtener varias mediciones sobre su entorno físico , proporcionando información valiosa mucho después de que se completaran sus misiones iniciales.

Como las naves espaciales volaban casi sin empujes estabilizadores adicionales durante su "crucero", es posible caracterizar la densidad del medio solar por su efecto sobre el movimiento de la nave espacial. En el Sistema Solar exterior, este efecto sería fácilmente calculable, basándose en mediciones terrestres del entorno del espacio profundo . Cuando se tuvieron en cuenta estos efectos, junto con todos los demás efectos conocidos, la posición calculada de las Pioneer no coincidía con las mediciones basadas en el tiempo de retorno de las señales de radio enviadas desde la nave espacial. Estas mostraron consistentemente que ambas naves espaciales estaban más cerca del Sistema Solar interior de lo que deberían estar, por miles de kilómetros , una distancia pequeña en comparación con su distancia al Sol, pero aún estadísticamente significativa. Esta aparente discrepancia aumentó con el tiempo a medida que se repetían las mediciones, lo que sugiere que lo que fuera que estaba causando la anomalía todavía estaba actuando sobre la nave espacial.

A medida que la anomalía se hacía más grande, parecía que las naves espaciales se movían más lentamente de lo esperado. Las mediciones de la velocidad de la nave espacial mediante el efecto Doppler demostraron lo mismo: el corrimiento al rojo observado era menor de lo esperado, lo que significaba que las Pioneer habían disminuido su velocidad más de lo esperado.

Cuando se tuvieron en cuenta todas las fuerzas conocidas que actuaban sobre la nave espacial, quedó una fuerza muy pequeña pero inexplicable. Parecía causar una aceleración hacia el Sol aproximadamente constante(8,74 ± 1,33) × 10 −10  m/s 2 para ambas naves espaciales. Si las posiciones de las naves espaciales se predijeron con un año de anticipación basándose en la velocidad medida y las fuerzas conocidas (principalmente la gravedad), se descubrió que en realidad eran algoA finales de año, se acercará 400 km al Sol. Ahora se cree que esta anomalía se debe a fuerzas de retroceso térmico.

Explicación: fuerza de retroceso térmico

A partir de 1998, se sugirió que la fuerza de retroceso térmico se había subestimado [6] [7] y que tal vez podría explicar toda la anomalía [8] . Sin embargo, explicar con precisión las fuerzas térmicas era difícil, porque se necesitaban registros telemétricos de las temperaturas de la nave espacial y un modelo térmico detallado, ninguno de los cuales estaba disponible en ese momento. Además, todos los modelos térmicos predijeron una disminución del efecto con el tiempo, lo que no apareció en el análisis inicial.

Estas objeciones se fueron resolviendo una por una. Se encontraron muchos de los registros de telemetría antiguos y se convirtieron a formatos modernos. [9] Esto proporcionó cifras de consumo de energía y algunas temperaturas de partes de la nave espacial. Varios grupos construyeron modelos térmicos detallados, [3] [10] [11] que se podían comparar con las temperaturas y potencias conocidas, y permitieron un cálculo cuantitativo de la fuerza de retroceso. El mayor lapso de registros de navegación mostró que la aceleración estaba, de hecho, disminuyendo. [12]

En julio de 2012, Slava Turyshev et al. publicaron un artículo en Physical Review Letters que explicaba la anomalía. El trabajo exploró el efecto de la fuerza de retroceso térmico en Pioneer 10 y concluyó que "una vez que se tiene en cuenta adecuadamente la fuerza de retroceso térmico, no queda ninguna aceleración anómala". [4] Aunque el artículo de Turyshev et al. tiene el análisis más detallado hasta la fecha, la explicación basada en la fuerza de retroceso térmico cuenta con el apoyo de otros grupos de investigación independientes, que utilizan una variedad de técnicas computacionales. Los ejemplos incluyen "la presión de retroceso térmico no es la causa de la anomalía del sobrevuelo de Rosetta , pero probablemente resuelve la aceleración anómala observada en Pioneer 10 " [3] y "se demuestra que toda la aceleración anómala puede explicarse por efectos térmicos". [13]

Indicaciones de otras misiones

Las sondas Pioneer estaban en condiciones ideales para descubrir este efecto porque habían estado volando durante largos períodos de tiempo sin correcciones adicionales de rumbo. La mayoría de las sondas espaciales lanzadas después de las Pioneer se detuvieron en uno de los planetas o utilizaron propulsión durante toda su misión.

Las Voyager volaron con un perfil de misión similar al de las Pioneer, pero no estaban estabilizadas por rotación. En cambio, requerían frecuentes encendidos de sus propulsores para que el control de actitud se mantuviera alineado con la Tierra. Las naves espaciales como las Voyager adquieren cambios pequeños e impredecibles en la velocidad como un efecto secundario de los frecuentes encendidos del control de actitud. Este "ruido" hace que sea poco práctico medir aceleraciones pequeñas como el efecto Pioneer; aceleraciones tan grandes como 10 −9  m/s 2 serían indetectables. [14]

Las naves espaciales más recientes han utilizado la estabilización de giro para algunas o todas sus misiones, incluidas Galileo y Ulysses . Estas naves espaciales indican un efecto similar, aunque por diversas razones (como su relativa proximidad al Sol) no se pueden sacar conclusiones firmes de estas fuentes. La misión Cassini tiene ruedas de reacción , así como propulsores para el control de actitud, y durante el crucero podía depender durante largos períodos solo de las ruedas de reacción, lo que permitía realizar mediciones de precisión. También tenía generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) montados cerca del cuerpo de la nave espacial, que irradiaban kilovatios de calor en direcciones difíciles de predecir. [15]

Después de que Cassini llegó a Saturno, perdió una gran fracción de su masa del combustible utilizado en la combustión de inserción y la liberación de la sonda Huygens . Esto aumenta la aceleración causada por las fuerzas de radiación porque están actuando sobre menos masa. Este cambio en la aceleración permite medir las fuerzas de radiación independientemente de cualquier aceleración gravitacional. [16] La comparación de los resultados de crucero y de órbita de Saturno muestra que para Cassini , casi toda la aceleración no modelada se debió a las fuerzas de radiación, con solo una pequeña aceleración residual, mucho menor que la aceleración de la Pioneer, y con signo opuesto. [17]

La aceleración no gravitacional de la sonda espacial profunda New Horizons se ha medido en aproximadamente1,25 × 10 −9  m/s2 hacia el sol, [18] algo mayor que el efecto sobre Pioneer. El modelado de los efectos térmicos indica una aceleración esperada hacia el sol de1,15 × 10 −9  m/s 2 , [19] y dadas las incertidumbres, la aceleración parece coherente con la radiación térmica como fuente de las fuerzas no gravitacionales medidas. La aceleración medida está disminuyendo lentamente como sería de esperar a partir de la disminución de la salida térmica del RTG.

Posibles problemas con la solución térmica

Hay dos características de la anomalía, tal como se informó originalmente, que no se abordan con la solución térmica: las variaciones periódicas de la anomalía y el inicio de la anomalía cerca de la órbita de Saturno.

En primer lugar, la anomalía tiene una periodicidad anual aparente y una periodicidad sideral diaria aparente de la Tierra con amplitudes que son formalmente mayores que el presupuesto de error. [20] Sin embargo, el mismo artículo también afirma que este problema probablemente no esté relacionado con la anomalía: "Los términos anuales y diurnos son muy probablemente manifestaciones diferentes del mismo problema de modelado. [...] Tal problema de modelado surge cuando hay errores en cualquiera de los parámetros de la orientación de la nave espacial con respecto al marco de referencia elegido".

En segundo lugar, el valor de la anomalía medida durante un período durante y después del encuentro de la Pioneer 11 con Saturno tenía una incertidumbre relativamente alta y un valor significativamente menor. [20] [21] El artículo de Turyshev, et al. de 2012 comparó el análisis térmico únicamente con la Pioneer 10. La anomalía de la Pioneer pasó desapercibida hasta después de que la Pioneer 10 pasara su encuentro con Saturno. Sin embargo, el análisis más reciente afirma: "La Figura 2 sugiere firmemente que el "inicio" informado anteriormente de la anomalía de la Pioneer puede, de hecho, ser un simple resultado de un modelado erróneo de la contribución térmica solar; esta cuestión puede resolverse con un análisis más profundo de los datos de trayectoria temprana". [4]

Explicaciones propuestas anteriormente

Antes de que se aceptara la explicación del retroceso térmico, se habían propuesto otras explicaciones que se dividían en dos categorías: "causas mundanas" o "nueva física". Las causas mundanas incluyen efectos convencionales que se pasaron por alto o se modelaron incorrectamente en el análisis inicial, como errores de medición, empuje por fugas de gas o radiación térmica desigual. Las explicaciones de la "nueva física" propusieron una revisión de nuestra comprensión de la física gravitacional .

Si la anomalía Pioneer hubiera sido un efecto gravitacional debido a algunas modificaciones de largo alcance de las leyes conocidas de la gravedad, no afectó los movimientos orbitales de los principales cuerpos naturales de la misma manera (en particular los que se movían en las regiones en las que la anomalía Pioneer se manifestó en su forma actualmente conocida). Por lo tanto, una explicación gravitacional tendría que violar el principio de equivalencia , que establece que todos los objetos se ven afectados de la misma manera por la gravedad. Por lo tanto, se argumentó [22] [23] [24] [25] [26] [27] [ 28] [29 ] [ 30] [31] que las mediciones y los modelos cada vez más precisos de los movimientos de los planetas exteriores y sus satélites socavaban la posibilidad de que la anomalía Pioneer sea un fenómeno de origen gravitacional. Sin embargo, otros creían que nuestro conocimiento de los movimientos de los planetas exteriores y del planeta enano Plutón todavía era insuficiente para refutar la naturaleza gravitacional de la anomalía Pioneer. [32] Los mismos autores descartaron la existencia de una extraaceleración gravitacional de tipo Pioneer en las afueras del Sistema Solar utilizando una muestra de objetos transneptunianos . [33] [34]

La magnitud del efecto Pionero ((8,74 ± 1,33) × 10 −10  m/s 2 ) es numéricamente bastante cercano al producto ((6,59 ± 0,07) × 10 −10  m/s 2 ) de la velocidad de la luz y la constante de Hubble , lo que sugiere una conexión cosmológica , pero ahora se cree que esto no tiene una importancia particular. De hecho, la última revisión del Laboratorio de Propulsión a Chorro (2010) realizada por Turyshev y Toth [14] afirma descartar la conexión cosmológica considerando fuentes bastante convencionales, mientras que otros científicos proporcionaron una refutación basada en las implicaciones físicas de los propios modelos cosmológicos. [35] [36]

Se supone que los objetos ligados gravitacionalmente, como el Sistema Solar o incluso la Vía Láctea, no participan de la expansión del universo ; esto se sabe tanto por la teoría convencional [37] como por medición directa. [38] Esto no interfiere necesariamente con los caminos que la nueva física puede tomar con los efectos de arrastre de las aceleraciones seculares planetarias de posible origen cosmológico.

Modelo de desaceleración

Se ha considerado posible que en el modelo actual no se tenga en cuenta una desaceleración real por varias razones.

Gravedad

Es posible que la desaceleración sea causada por fuerzas gravitacionales de fuentes no identificadas, como el cinturón de Kuiper o la materia oscura . Sin embargo, esta aceleración no se muestra en las órbitas de los planetas exteriores, por lo que cualquier respuesta gravitacional genérica tendría que violar el principio de equivalencia (ver inercia modificada a continuación). Del mismo modo, la anomalía no aparece en las órbitas de las lunas de Neptuno, lo que pone en tela de juicio la posibilidad de que la anomalía Pioneer pueda ser un fenómeno gravitacional no convencional basado en la distancia desde el Sol. [30]

Arrastrar

La causa podría ser el arrastre del medio interplanetario , que incluye polvo , viento solar y rayos cósmicos . Sin embargo, las densidades medidas son demasiado pequeñas para causar el efecto.

Fugas de gas

Se ha pensado que las posibles causas podrían ser fugas de gas , incluido el helio de los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) de la nave espacial. [39]

Errores de observación o registro

Se ha propuesto la posibilidad de errores de observación, que incluyen errores de medición y de cálculo, como razón para interpretar los datos como una anomalía. Por lo tanto, esto daría lugar a errores de aproximación y estadísticos. Sin embargo, un análisis más detallado ha determinado que no es probable que se produzcan errores significativos porque siete análisis independientes han demostrado la existencia de la anomalía Pioneer a marzo de 2010. [40]

El efecto es tan pequeño que podría ser una anomalía estadística causada por diferencias en la forma en que se recogieron los datos a lo largo de la vida útil de las sondas. Durante este período se realizaron numerosos cambios, incluidos cambios en los instrumentos de recepción, los sitios de recepción, los sistemas de registro de datos y los formatos de registro. [9]

Nueva física

Como la "anomalía Pioneer" no se manifiesta como un efecto sobre los planetas, Anderson et al. especularon que esto sería interesante si se tratara de una nueva física . Más tarde, cuando se confirmó la señal desplazada por el Doppler, el equipo volvió a especular que una explicación podría estar en la nueva física, o en alguna explicación sistémica desconocida. [41]

Aceleración del reloj

La aceleración del reloj fue una explicación alternativa a la aceleración anómala de la nave espacial hacia el Sol. Esta teoría tomó nota de un universo en expansión , que se pensaba que creaba un "potencial gravitacional" de fondo creciente . El potencial gravitacional aumentado aceleraría entonces el tiempo cosmológico. Se propuso que este efecto particular causa la desviación observada de las trayectorias y velocidades predichas de Pioneer 10 y Pioneer 11. [ 41]

A partir de sus datos, el equipo de Anderson dedujo una deriva de frecuencia constante de1,5 Hz durante ocho años. Esto podría ser mapeado en una teoría de aceleración del reloj, lo que significa que todos los relojes estarían cambiando en relación con una aceleración constante: en otras palabras, que habría una no uniformidad del tiempo. Además, para tal distorsión relacionada con el tiempo, el equipo de Anderson revisó varios modelos en los que se considera la distorsión del tiempo como un fenómeno. Llegaron al modelo de "aceleración del reloj" después de completar la revisión. Aunque el mejor modelo agrega un término cuadrático al Tiempo Atómico Internacional definido , el equipo encontró problemas con esta teoría. Esto luego llevó al tiempo no uniforme en relación con una aceleración constante como la teoría más probable. [nota 1] [41]

Definición de gravedad modificada

La hipótesis de la dinámica newtoniana modificada o MOND propuso que la fuerza de la gravedad se desvía del valor newtoniano tradicional a una ley de fuerza muy diferente a aceleraciones muy bajas del orden de10 −10  m/s 2 . [42] Dadas las bajas aceleraciones impuestas a la nave espacial mientras se encontraba en el Sistema Solar exterior, MOND puede estar modificando las ecuaciones gravitacionales normales. El experimento de medición de distancia por láser lunar combinado con datos de los satélites LAGEOS refuta que la simple modificación de la gravedad sea la causa de la anomalía Pioneer. [43] No se ha informado que la precesión de las longitudes de perihelio de los planetas solares [24] o las trayectorias de los cometas de largo período [44] experimenten un campo gravitacional anómalo hacia el Sol de la magnitud capaz de describir la anomalía Pioneer.

Definición de inercia modificada

MOND también puede interpretarse como una modificación de la inercia, quizás debido a una interacción con la energía del vacío , y una teoría dependiente de la trayectoria podría explicar las diferentes aceleraciones que aparentemente actúan sobre los planetas en órbita y la nave Pioneer en sus trayectorias de escape. [45] También se ha propuesto una posible prueba terrestre para obtener evidencia de un modelo diferente de inercia modificada. [46]

Tiempo paramétrico

Otra explicación teórica se basó en una posible no equivalencia del tiempo atómico y el tiempo astronómico, que podría dar la misma huella observacional que la anomalía. [47]

Efemérides celestes en un universo en expansión

Otra explicación propuesta de la anomalía de Pioneer es que el espacio-tiempo de fondo se describe mediante una métrica cosmológica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker que no es plana de Minkowski. [48] En este modelo de variedad del espacio-tiempo, la luz se mueve uniformemente con respecto al tiempo cosmológico conforme, mientras que las mediciones físicas se realizan con la ayuda de relojes atómicos que cuentan el tiempo propio del observador coincidiendo con el tiempo cósmico . Esta diferencia produce exactamente el mismo valor numérico y la misma firma del desplazamiento Doppler medido en el experimento Pioneer. Sin embargo, esta explicación requiere que los efectos térmicos sean un pequeño porcentaje del total, en contradicción con los muchos estudios que estiman que es la mayor parte del efecto.

Otras vías de investigación

Es posible, pero no está probado, que esta anomalía esté relacionada con la anomalía de sobrevuelo , que se ha observado en otras naves espaciales. [49] Aunque las circunstancias son muy diferentes (sobrevuelo de planetas vs. crucero por el espacio profundo), el efecto general es similar: se observa un cambio de velocidad pequeño pero inexplicable encima de una aceleración gravitacional convencional mucho mayor.

Las sondas Pioneer ya no proporcionan nuevos datos (el último contacto se produjo el 23 de enero de 2003) [50] y otras misiones de espacio profundo que podrían estudiarse ( Galileo y Cassini ) fueron desechadas deliberadamente en las atmósferas de Júpiter y Saturno respectivamente al final de sus misiones. Esto deja varias opciones restantes para futuras investigaciones:

Reuniones y conferencias sobre la anomalía

En 2004 se celebró una reunión en la Universidad de Bremen para discutir la anomalía Pioneer. [55]

La Colaboración Pioneer Explorer se formó para estudiar la Anomalía Pioneer y ha organizado tres reuniones (2005, 2007 y 2008) en el Instituto Internacional de Ciencias Espaciales en Berna , Suiza, para discutir la anomalía y discutir posibles medios para resolver la fuente. [56]

Notas

  1. ^ tiempo no uniforme en relación con una aceleración constante es un término resumido derivado de la fuente o fuentes utilizadas para esta subsección.

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

El artículo original que describe la anomalía.
Un extenso estudio de varios años de debate realizado por los autores del artículo original de 1998 que documenta la anomalía. Los autores concluyen: "Hasta que se sepa más, debemos admitir que la causa más probable de este efecto es una sistemática desconocida. (Nosotros mismos estamos divididos en cuanto a si la 'causa más probable' es 'fugas de gas' o 'calor')."

La reunión de la ISSI mencionada anteriormente tiene una excelente lista de referencias dividida en secciones como referencias primarias, intentos de explicación, propuestas de nueva física, posibles nuevas misiones, prensa popular, etc. A continuación se muestra una muestra de ellas:

Mayor elaboración de un plan de misión específico (acceso restringido)
Prensa popular

Enlaces externos