En mecánica celeste , la precesión absidal (o avance absidal ) [1] es la precesión (rotación gradual) de la línea que conecta los ápsides (línea de ápsides) de la órbita de un cuerpo astronómico . Los ápsides son los puntos orbitales más alejados (apoápsis) y más cercanos (periapsis) de su cuerpo primario (por lo que también puede recibir el nombre de cualquiera de los ápsides). La precesión absidal es la primera derivada del argumento de la periapsis , uno de los seis elementos orbitales principales de una órbita. La precesión absidal se considera positiva cuando el eje de la órbita gira en la misma dirección que el movimiento orbital. Un período absidal es el intervalo de tiempo necesario para que una órbita realice una precesión de 360°, [2] lo que le lleva a la órbita de la Tierra unos 112.000 años, completando un ciclo y volviendo a la misma orientación. [3]
El antiguo astrónomo griego Hiparco notó la precesión absidal de la órbita de la Luna (como la revolución del apogeo de la Luna con un período de aproximadamente 8,85 años); [4] está corregido en el Mecanismo de Antikythera (alrededor del 80 a. C.) (con el valor supuesto de 8,88 años por ciclo completo, correcto dentro del 0,34% de las mediciones actuales). [5] La precesión de los ábsides solares (como un movimiento distinto de la precesión de los equinoccios), fue cuantificada por primera vez en el siglo II por Ptolomeo de Alejandría . También calculó el efecto de la precesión sobre el movimiento de los cuerpos celestes . [6] [7] [8] Las precesiones absidales de la Tierra y otros planetas son el resultado de una plétora de fenómenos, de los cuales una parte siguió siendo difícil de explicar hasta el siglo XX, cuando la última parte no identificada de la precesión de Mercurio fue precisamente explicado.
Una variedad de factores pueden conducir a la precesión del periastrón, como la relatividad general, los momentos cuadrupolares estelares , las deformaciones de marea mutuas entre estrella y planeta y las perturbaciones de otros planetas. [9]
Para Mercurio, la tasa de precesión del perihelio debido a efectos relativistas generales es de 43 ″ ( segundos de arco ) por siglo. En comparación, la precesión debida a las perturbaciones de otros planetas del Sistema Solar es de 532 pulgadas por siglo, mientras que el achatamiento del Sol (momento cuadrupolar) provoca una contribución insignificante de 0,025 pulgadas por siglo. [10] [11]
Según la mecánica clásica, si se considera que las estrellas y los planetas son masas puramente esféricas, entonces obedecerán a una simple1/r 2 Ley del cuadrado inverso , que relaciona la fuerza con la distancia y, por tanto, ejecuta órbitas elípticas cerradas según el teorema de Bertrand . Los efectos de masa no esférica son causados por la aplicación de potencial(es) externo(s): el potencial centrífugo de los cuerpos que giran, como el giro de la masa de pizza, provoca el aplanamiento entre los polos y la gravedad de una masa cercana genera protuberancias de marea. Los abultamientos de marea netos y rotacionales crean campos cuadrupolares gravitacionales (1/r 3) que conducen a la precesión orbital.
La precesión absidal total para Júpiter muy calientes aislados es, considerando solo los efectos de orden más bajo y, en términos generales, en orden de importancia.
siendo el abultamiento de marea planetario el término dominante, superando los efectos de la relatividad general y el cuadrupolo estelar en más de un orden de magnitud. La buena aproximación resultante del abultamiento de las mareas es útil para comprender el interior de dichos planetas. Para los planetas de período más corto, el interior planetario induce una precesión de unos pocos grados por año. Es de hasta 19,9° por año para WASP-12b . [12] [13]
Newton derivó un teorema temprano que intentó explicar la precesión absidal. Este teorema es históricamente notable, pero nunca se usó ampliamente y proponía fuerzas que se descubrió que no existen, lo que invalida el teorema. Este teorema de las órbitas giratorias permaneció en gran medida desconocido y sin desarrollar durante más de tres siglos hasta 1995. [14] Newton propuso que las variaciones en el movimiento angular de una partícula pueden explicarse mediante la adición de una fuerza que varía con la inversa del cubo de la distancia, sin afectar el movimiento radial de una partícula. [15] Utilizando un precursor de la serie de Taylor , Newton generalizó su teorema a todas las leyes de fuerza siempre que las desviaciones de las órbitas circulares sean pequeñas, lo cual es válido para la mayoría de los planetas del Sistema Solar. [ cita necesaria ] Sin embargo, su teorema no tuvo en cuenta la precesión absidal de la Luna sin renunciar a la ley del cuadrado inverso de la ley de gravitación universal de Newton . Además, la tasa de precesión absidal calculada mediante el teorema de las órbitas giratorias de Newton no es tan precisa como lo es con métodos más nuevos, como la teoría de la perturbación . [ cita necesaria ]
Urbain Le Verrier observó una precesión absidal del planeta Mercurio a mediados del siglo XIX y la explicó la teoría general de la relatividad de Einstein .
Einstein demostró que para un planeta, siendo el semieje mayor de su órbita a , la excentricidad de la órbita e y el período de revolución T , entonces la precesión absidal debida a efectos relativistas, durante un período de revolución en radianes , es
donde c es la velocidad de la luz . [16] En el caso de Mercurio, la mitad del eje mayor es aproximadamente5,79 × 10 10 m , la excentricidad de su órbita es 0,206 y el período de revolución 87,97 días o7,6 × 10 6 s . De estos y la velocidad de la luz (que es ~3 × 10 8 m/s ), se puede calcular que la precesión absidal durante un período de revolución es ε = 5.028 × 10 −7 radianes (2,88 × 10 −5 grados o 0,104″). En cien años Mercurio realiza aproximadamente 415 revoluciones alrededor del Sol, por lo que en ese tiempo el perihelio absidal debido a efectos relativistas es de aproximadamente 43 pulgadas, lo que corresponde casi exactamente a la parte del valor medido hasta ahora inexplicable.
La precesión absidal de la Tierra aumenta lentamente su argumento de periapsis ; Se tarda como112.000 años para que la elipse gire una vez con respecto a las estrellas fijas. [17] El eje polar de la Tierra, y por lo tanto los solsticios y equinoccios, precesan con un período de aproximadamente26.000 años en relación a las estrellas fijas. Estas dos formas de "precesión" se combinan de modo que toma entre20.800 y 29.000 años (y en promedio23.000 años) para que la elipse gire una vez en relación con el equinoccio de primavera, es decir, para que el perihelio regrese a la misma fecha (dado un calendario que sigue perfectamente las estaciones). [18]
Esta interacción entre el ciclo anómalo y el tropical es importante en las variaciones climáticas a largo plazo en la Tierra, llamadas ciclos de Milankovitch . Los ciclos de Milankovitch son fundamentales para comprender los efectos de la precesión absidal. También se conoce un equivalente en Marte .
La figura de la derecha ilustra los efectos de la precesión en las estaciones del hemisferio norte, en relación con el perihelio y el afelio. Observe que las áreas barridas durante una temporada específica cambian con el tiempo. La mecánica orbital requiere que la duración de las estaciones sea proporcional a las áreas barridas de los cuadrantes estacionales, de modo que cuando la excentricidad orbital es extrema, las estaciones en el lado opuesto de la órbita pueden tener una duración sustancialmente más larga.
