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anomalía pionera

La anomalía Pioneer , o efecto Pioneer , fue la desviación observada de las aceleraciones previstas de las naves espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11 después de que pasaron alrededor de 20 unidades astronómicas (3 × 10 9  km; 2 × 10 9  millas) en sus trayectorias fuera del Sol. Sistema . La aparente anomalía fue motivo de gran interés durante muchos años, pero posteriormente fue explicada por la presión de radiación anisotrópica causada por la pérdida de calor de la nave espacial.

Ambas naves espaciales Pioneer están escapando del Sistema Solar pero se están desacelerando bajo la influencia de la gravedad del Sol . Tras un examen minucioso de los datos de navegación, se descubrió que la nave espacial se estaba desacelerando un poco 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 de 1 km/h durante un período de diez años. Las dos naves espaciales fueron lanzadas en 1972 y 1973. La aceleración anómala se notó por primera vez en 1980, pero no se investigó seriamente hasta 1994. [1] La última comunicación con cualquiera de las 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 comprendido entre 1998 y 2012, se aceptó una explicación particular. Las naves espaciales, rodeadas por un vacío ultraalto y alimentadas cada una por un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), sólo pueden emitir calor a través de radiación térmica . Si, debido al diseño de la nave espacial, se emite más calor en una dirección particular mediante lo que se conoce como anisotropía radiativa , entonces la nave espacial aceleraría ligeramente en la dirección opuesta al exceso de radiación emitida debido al retroceso de los fotones térmicos . Si el exceso de radiación y la presión de radiación asociada apuntaran en una dirección general opuesta al Sol, la velocidad de la nave espacial alejándose del Sol estaría disminuyendo a un ritmo mayor de lo que podría explicarse por fuerzas previamente reconocidas, como la gravedad y la fricción de las trazas debido a la 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, demostraron que una contabilidad cuidadosa de esto explica toda la anomalía; por 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 fuerzas térmicas y concluye que "no existe una 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

Los Pioneer 10 y 11 fueron enviados en misiones a Júpiter y Júpiter/Saturno respectivamente. Ambas naves espaciales fueron estabilizadas por giro para mantener sus antenas de alta ganancia apuntando hacia la Tierra usando fuerzas giroscópicas . Aunque la nave espacial incluía propulsores, después de los encuentros planetarios se utilizaron sólo para maniobras de escaneo cónico 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 diversas mediciones sobre su entorno físico , proporcionando información valiosa mucho después de que se completaran sus misiones iniciales.

Debido a que las naves espaciales volaron casi sin empujes de estabilización 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 los Pioneer no coincidía con las mediciones basadas en el tiempo de retorno de las señales de radio enviadas desde la nave espacial. Estos demostraron consistentemente que ambas naves espaciales estaban más cerca del Sistema Solar interior de lo que deberían estar, miles de kilómetros , una distancia pequeña en comparación con su distancia al Sol, pero aún así estadísticamente significativa. Esta aparente discrepancia creció con el tiempo a medida que se repitieron las mediciones, lo que sugiere que lo que sea que estuviera causando la anomalía todavía estaba actuando en la nave espacial.

A medida que la anomalía iba creciendo, parecía que la nave espacial se movía 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 fue menor de lo esperado, lo que significaba que los Pioneer habían disminuido su velocidad más de lo esperado.

Cuando se tomaron en consideración todas las fuerzas conocidas que actúan sobre la nave espacial, quedó una fuerza muy pequeña pero inexplicable. Parecía causar una aceleración aproximadamente constante hacia el sol de(8,74 ± 1,33) × 10 −10  m/s 2 para ambas naves espaciales. Si las posiciones de la nave espacial se predijeron con un año de antelación basándose en la velocidad medida y las fuerzas conocidas (principalmente la gravedad), se descubrió que en realidad estaban unos 400 km más cerca del Sol al final del año. Ahora se cree que esta anomalía se debe a fuerzas de retroceso térmico.

Explicación: fuerza de retroceso térmico

A partir de 1998, hubo sugerencias de que la fuerza de retroceso térmico estaba subestimada [6] [7] y tal vez podría explicar toda la anomalía. [8] Sin embargo, contabilizar con precisión las fuerzas térmicas era difícil, porque se necesitaban registros de telemetría 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.

Una por una se abordaron estas objeciones. 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 para partes de la nave espacial. Varios grupos construyeron modelos térmicos detallados, [3] [10] [11] que podrían compararse con las temperaturas y potencias conocidas, y permitieron un cálculo cuantitativo de la fuerza de retroceso. El período más largo de registros de navegación mostró que la aceleración, de hecho, estaba disminuyendo. [12]

En julio de 2012, Slava Turyshev et al. publicó un artículo en Physical Review Letters que explicaba la anomalía. El trabajo exploró el efecto de la fuerza de retroceso térmico en el 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, utilizando una variedad de técnicas computacionales. Los ejemplos incluyen "la presión de retroceso térmica no es la causa de la anomalía del sobrevuelo de Rosetta , pero probablemente resuelve la aceleración anómala observada por el Pioneer 10 ". [3] y "Se ha demostrado que toda la aceleración anómala puede explicarse por efectos térmicos". [13]

Indicaciones de otras misiones

Los Pioneer estaban especialmente preparados para descubrir el efecto porque habían estado volando durante largos períodos de tiempo sin correcciones adicionales de rumbo. La mayoría de las sondas del espacio profundo lanzadas después de que los Pioneros se detuvieran en uno de los planetas o utilizaran propulsión durante toda su misión.

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

Las naves espaciales más nuevas han utilizado estabilización de giro para parte o toda su misión, 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 podría depender durante largos períodos únicamente de las ruedas de reacción, lo que permite realizar mediciones de precisión. También tenía generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) montados cerca del cuerpo de la nave espacial, irradiando kilovatios de calor en direcciones difíciles de predecir. [15]

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

La aceleración no gravitacional de la sonda espacial New Horizons se ha medido en aproximadamente 1,25 x 10 −9  m/s 2 hacia el Sol, [18] algo mayor que el efecto en Pioneer. El modelado de los efectos térmicos indica una aceleración esperada hacia el Sol de 1,15 x 10 −9  m/s 2 , [19] y, dadas las incertidumbres, la aceleración parece consistente con la radiación térmica como fuente de las fuerzas no gravitacionales medidas. La aceleración medida está disminuyendo lentamente como se esperaría de la disminución de la producción térmica del RTG.

Posibles problemas con la solución térmica.

Hay dos características de la anomalía, como se informó originalmente, que no son abordadas por la solución térmica: variaciones periódicas en la anomalía y el inicio de la anomalía cerca de la órbita de Saturno.

Primero, la anomalía tiene una periodicidad anual aparente y una periodicidad diaria sideral aparente de la Tierra con amplitudes que son formalmente mayores que el presupuesto de error. [20] Sin embargo, el mismo artículo también afirma que lo más probable es que este problema no esté relacionado con la anomalía: "Los términos anual y diurno son muy probablemente manifestaciones diferentes del mismo problema de modelado. [...] Tal problema de modelado surge cuando hay Hay errores en alguno de los parámetros de orientación de la nave espacial con respecto al sistema de referencia elegido."

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

Explicaciones propuestas previamente.

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

Si la anomalía de Pioneer había sido un efecto gravitacional debido a algunas modificaciones de largo alcance de las leyes conocidas de la gravedad, no afectó de la misma manera los movimientos orbitales de los principales cuerpos naturales (en particular aquellos que se mueven en las regiones en las que La anomalía pionera 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 modelos cada vez más precisos de los movimientos de los planetas exteriores y sus satélites socavó la posibilidad de que la anomalía de 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 aún era insuficiente para refutar la naturaleza gravitacional de la anomalía de 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 ) está numéricamente bastante cerca del 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 importancia particular. De hecho, la última revisión del Jet Propulsion Laboratory (2010) realizada por Turyshev y Toth [14] afirma descartar la conexión cosmológica al considerar 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 gravitacionales como el Sistema Solar o incluso la Vía Láctea no participan en la expansión del universo ; esto se sabe tanto por la teoría convencional [37] como por mediciones directas. [38] Esto no necesariamente interfiere con los caminos que la nueva física puede tomar con los efectos de arrastre de aceleraciones planetarias seculares 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 aparece 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). Asimismo, la anomalía no aparece en las órbitas de las lunas de Neptuno, lo que cuestiona la posibilidad de que la anomalía de Pioneer pueda ser un fenómeno gravitacional no convencional basado en la distancia desde el Sol. [30]

Arrastrar

La causa podría ser la resistencia del medio interplanetario , incluido el polvo , el viento solar y los rayos cósmicos . Sin embargo, las densidades medidas son demasiado pequeñas para provocar el efecto.

Fugas de gas

Se ha pensado que la posible causa son las fugas de gas , incluido el helio de los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) de la nave espacial . [39]

Errores de observación o registro.

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

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

Nueva física

Debido a que la "anomalía Pioneer" no se manifiesta como un efecto en los planetas, Anderson et al. Se especuló que esto sería interesante si se tratara de una nueva física . Más tarde, una vez confirmada la señal Doppler desplazada, el equipo volvió a especular que una explicación podría residir en una nueva física, si no en alguna explicación sistémica desconocida. [41]

aceleración del reloj

La aceleración del reloj era 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 cada vez mayor . El aumento del potencial gravitacional aceleraría entonces el tiempo cosmológico. Se propuso que este efecto particular causa la desviación observada de las trayectorias y velocidades previstas de Pioneer 10 y Pioneer 11 . [41]

A partir de sus datos, el equipo de Anderson dedujo una deriva de frecuencia constante de 1,5 Hz durante ocho años. Esto podría trasladarse a una teoría de la aceleración del reloj, lo que significaba que todos los relojes cambiarían en relación con una aceleración constante: en otras palabras, que no habría uniformidad en el 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 añade un término cuadrático al Tiempo Atómico Internacional definido , el equipo encontró problemas con esta teoría. Esto llevó entonces a que la teoría más probable fuera el tiempo no uniforme en relación con una aceleración constante . [nota 1] [41]

Definición de gravedad modificada

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

Definición de inercia modificada

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

tiempo paramétrico

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

Efemérides celestes en un universo en expansión

Otra explicación propuesta para 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 de 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 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 numerosos estudios que estiman que es la mayor parte del efecto.

Otras vías de investigación

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

Las naves Pioneer ya no proporcionan nuevos datos (el último contacto tuvo lugar el 23 de enero de 2003) [50] y otras misiones al espacio profundo susceptibles de ser estudiadas ( Galileo y Cassini ) fueron eliminadas deliberadamente en las atmósferas de Júpiter y Saturno, respectivamente, en los fines 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 de Pioneer. [55]

La Pioneer Explorer Collaboration 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 posibles medios para resolver la fuente. [56]

Notas

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

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

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 'fugas de gas' o 'calor' es la 'causa más probable'. )"

La reunión ISSI anterior 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. Aquí se muestra una muestra de estos:

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

enlaces externos