Física - Mecánica clásica

Astrodinámica

La anomalía de las Pioneer o el efecto Pioneer es la desviación observada de las trayectorias esperadas de diferentes sondas espaciales que visitan la parte exterior del Sistema Solar, en especial la Pioneer 10 y la Pioneer 11.

Ambas naves se encuentran escapando del Sistema Solar, pero están desacelerando debido a la influencia de la gravedad solar. Después de un minucioso examen de la información de navegación, se encontró que las naves se mueven más lento de lo esperado. El efecto es una pequeña aceleración hacia el Sol, de 8.74±1.33×10⁻¹⁰ m/s². Las dos naves fueron lanzadas en 1972 y 1973. La aceleración anómala fue hallada ya desde 1980, pero no fue seriamente investigada hasta 1994. La última comunicación con las naves fue en 2003, pero el análisis de la información aún continua.

Varias teorías, sobre las naves y la gravedad misma, fueron propuestas para explicar las anomalías. En el periodo 1998-2012, una en particular, ha llegado a ser aceptada. La nave, puesto que está en el vacío, solo puede perder calor por radiación. Si, debido al diseño de la nave, más calor es emitido en dirección opuesta al Sol, entonces la nave se desacelerará debido a la presión de la radiación térmica emitida. Como esta fuerza se debe al retroceso de los fotones de calor, es llamada "Fuerza de retroceso térmico".

Para el 2012, diversos artículos de diferentes fuentes, todos analizando la fuerza inherente de presión de la radiación térmica en la nave, mostraron que un cálculo cuidadoso de esta fuerza, es suficiente para justificar la anomalía, y no se requiere de otro fenómeno o una física diferente.

Sin embargo, alrededor de este fenómeno, se han tejido diversas explicaciones que incluyen la expansión del universo, o la materia oscura, entre otras.

Descripción

Las naves Pioneer 10 y Pioneer 11 fueron enviadas en misiones a Júpiter y a Saturno, respectivamente. Cada nave tenía el sistema de estabilización por espín para mantener su antena de alta ganancia apuntando siempre hacia la Tierra. Aunque las naves incluían propulsores, después de sus encuentros planetarios, solo fueron usados semestralmente para maniobras de "conical scanning" para seguir a la Tierra en su órbita, dejándolos en una fase larga de "crucero" a través del sistema solar exterior. Durante este periodo, se contactó con ambas naves varias veces para obtener diversas medidas de su ambiente físico, obteniendo información valiosa mucho tiempo después de que sus misiones fueran completadas.

Cuando se perdió el contacto con estas sondas por el agotamiento de sus fuentes de energía, los científicos de la NASA ya habían observado la desviación sufrida en sus cursos.

Esta desviación era producida por una aceleración negativa (aceleración en dirección solar o desaceleración) o corrimiento al azul muy débil, de aproximadamente un nanómetro por segundo cuadrado, (a_P = (8,74 ± 1,33) × 10⁻¹⁰ m/s²), pero aun así de origen desconocido.

Posibles causas

Las explicaciones propuestas se pueden clasificar en tres grupos:

• Desaceleración real. Se asume que la desaceleración existe y debe tener una causa, que podría ser: la presión de radiación térmica, la gravedad (por algún cuerpo celeste o materia oscura), arrastre (polvo, viento solar, o rayos cósmicos) o simplemente por pérdida de gas en la misma nave.
• Errores de observación. Incluye errores en las mediciones o el cálculo computacional, como una posible causa para interpretar la información como una anomalía inexistente. Sin embargo diversos análisis de diversas fuentes han corroborado la existencia de la anomalía.
• Nueva física. En este grupo están las explicaciones que proponen que las anomalías observadas se deben al efecto de alguna nueva física aún desconocida o no aceptada. Entre las posibles explicaciones estarían:
  • La teoría del SEC (scale expanding cosmos: ‘cosmos en expansión a escala’), propuesta por C. Johan Masreliez (controvertida, ya que refuta la hipótesis del big bang).
  • La teoría de la MOND (modified newtonian dynamics: ‘dinámica newtoniana modificada’).
  • Otras dimensiones desconocidas que crean pequeñas fuerzas.
  • La variación de la constante de estructura fina.

Consecuencias

La NASA está preparando una sonda para poder estudiar los efectos de la gravedad solar en los confines del sistema solar. Constaría de un módulo que se engancharía a una sonda cualquiera que fuese a estudiar los puntos más alejados del sistema.

Las Pioneer 10 y 11

Las Pioneer 10 y 11 son dos sondas espaciales que envió la NASA en los años ’72 y ’73 para explorar los planetas Júpiter y Saturno, hasta entonces inexplorados.

Ambas sondas eran gemelas en construcción, llevando una gran antena de comunicaciones, pilas nucleares (ya que a las distancias a las que iban a ir los paneles solares no eran eficientes) y con varios instrumentos científicos.

Las dos naves pasaron por Júpiter (la P10 en el ’73 y la P11 un año más tarde), ganando velocidad y tomando rumbos diferentes: la P10 tomó una trayectoria para alejarse del Sistema Solar, en dirección aproximada hacia la estrella Aldebarán, que se puede ver las noches de invierno como la estrella más brillante en la constelación de Tauro, a la que, en el caso de que consiguiese llegar, lo haría dentro de unos 2 millones de años.
Mientras que la P11 se dirigió hacia Saturno, para después tomar una trayectoria similar a su gemela, solo que dirigiéndose en otra dirección.
Debido a esto las dos sondas llevaban una placa donde se encontraba grabados un hombre y una mujer, así como la “localización” de la Tierra, por si alguna hipotética civilización extraterrestre encontrase algún día las naves.

Finalmente, las sondas se sitúan actualmente a una distancia de unas 100 veces la distancia Sol-Tierra, aunque se perdió el contacto con ellas en 1995 (P11) y 2003 (P10).

La anomalía

A medida que se alejaban, las sondas iban transmitiendo información sobre su “estado” a Tierra, la cual fue analizándose poco a poco (durante varias décadas).

Y analizándose estos datos, se comenzó a encontrar una cosa curiosa: se encontró que las naves se estaban frenando ligeramente más de lo debido (recordemos que aunque están demasiado lejos de la Tierra, el Sol las sigue atrayendo). Era una aceleración prácticamente inapreciable, casi en el borde de lo que se podía detectar, pero ahí estaba, y tenía una magnitud de aproximadamente 10-9 m / s2.

Así que la pregunta era clara: ¿qué hacía frenar a la nave más de lo previsto?

Primeras explicaciones

Antes de nada, recordar que estamos en el espacio, donde no hay “aire” como aquí, luego un objeto que está moviéndose en el espacio no encuentra resistencia que lo frene.

Así que las primeras hipótesis que se barajaron fueron las lógicas: en la nave se debe de estar produciendo algún fenómeno que frena la nave:

Dado que las naves llevan una reserva de combustible para poder hacer correcciones a sus órbitas, podrían tener alguna fuga de dicho combustible, lo que las haría frenar. Pero esta explicación no era coherente ya que es altamente improbable que se haya producido la misma fuga en el mismo punto de la nave, dejando escapar la misma cantidad de combustible en la misma dirección…

También se barajó que podría ser debido a un calor emitido por las naves en una dirección concreta (generado por las pilas nucleares que llevaban). De existir esto, podría ser idéntico en las dos naves por su construcción, pero éste calor debería decrecer con el tiempo debido a que las pilas nucleares van produciendo menor calor.
Además, el efecto, de existir, sería bastante menor al encontrado.

Y así se sugirieron varias posibles explicaciones, aunque con ninguna (ni juntando todas de la mejor forma posible) se llegó a explicar esta aceleración.

Otras causas

Abandonando estos razonamientos, se empezó a pensar que esta aceleración podría ser debida a causas ajenas a la nave, como una gravedad mayor de lo esperado, u otras influencias que no se tenían en cuenta.

Esto se vio confirmado por la observación de una aceleración similar en otras naves (como la Galileo y la Ulysses).
Así que el origen estaba claro: la aceleración no procedía de la nave.

Las primeras hipótesis no tardaron en llegar:

Si hubiera otro cuerpo en el Sistema Solar (del tamaño de Plutón por ejemplo) podría atraer a la nave causando dicha aceleración. Aunque aquí también se propuso que más que un cuerpo, podría ser materia oscura presente en nuestro Sistema Solar.
El problema de este razonamiento era que si se ajustaba dicha masa “desconocida” para que provocase tal aceleración, se descompensaba la órbita de los demás planetas, con lo cual esta masa nueva no podía existir ya que la órbita de los planetas es bien conocida desde hace muchos años.

También se pensó en que podría ser debido a que las partículas (polvo) que existe entre estrellas pudiera estar generando una fricción en la nave, pero esto parece muy improbable ya que por lo que se conoce la poca densidad que existe en el espacio no podría provocar este efecto.

Por supuesto, también hubo quienes propusieron que esto era un síntoma de que las leyes actuales de la física era erróneas y aquí se obtenía otra prueba nueva de ello.

Explicación más probable

Pero la posible solución (la más probable y la única que lo explica razonadamente en la actualidad) vino traída por una coincidencia que se descubrió sobre los ’90:
dicha aceleración tenía un valor prácticamente igual (y coherente dado los márgenes de error) a la cantidad c·H0 donde c es la velocidad de la luz, y H0 es la constante de expansión de Universo, o constante de Hubble.

Esto hizo pensar que dicha aceleración podría tener relación con la expansión del Universo (aunque en principio esta no influía para distancias tan pequeñas).

Y la explicación vino tras más de 35 años desde que se lanzaron las naves: debido a que el Universo no es totalmente plano (sino que el espacio-tiempo tiene una ligera curvatura), sobre las señales que emite la nave se produce un efecto similar al efecto Doppler (el de la ambulancia que se acerca, y por ello se oye la sirena más aguda) llamado corrimiento al azul (también existe la contrapartida: corrimiento al rojo que se suele oir más a menudo) que hace que dicha señal (que no deja de ser otra cosa que luz) tenga un tono más azulado de lo normal (en el caso en que pudiéramos ver la señal, ya que ésta es una señal de radio).

Así que realmente no se trataba de ninguna aceleración que sufren las naves, sino más bien de un efecto que se produce sobre las señales que éstas envían a Tierra por estar las naves moviéndose y por estar el Universo expandiéndose.

La anomalía de sobrevuelo es un incremento energético inesperado que se da durante sobrevuelos terrestres de satélites artificiales. Ha sido observada como un desplazamiento Doppler anómalo de las bandas X y S, lo cual se interpreta como un incremento de velocidad de unos pocos mm/s durante el sobrevuelo, en el momento del perigeo. Hasta el momento no se ha encontrado ningún mecanismo que explique este desplazamiento.

Observaciones

La técnica de asistencia gravitatoria, es decir, la técnica que permite variar la velocidad heliocéntrica de una sonda mediante el intercambio de energía cinética y potencial entre ésta y un planeta, es una herramienta indispensable en la exploración del sistema solar. Ya que el éxito de dicha maniobra depende de una manera crucial de la geometría de la trayectoria, la posición y velocidad de cada sonda es seguida continuamente por la DSN (Deep Space Network o Red del Espacio Profundo).

La anomalía de sobrevuelo fue descubierta poco después del sobrevuelo de la sonda Galileo el 8 de diciembre de 1990, tras una cuidadosa inspección de los datos Doppler obtenidos por la DSN. Se esperaba que los desplazamientos Doppler residuales (los datos observados menos los datos calculados) fueran planos, mientras que el análisis reveló un desplazamiento de 66 mHz, correspondiente a un incremento de velocidad en el perigeo de 3,92 mm/s. El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Goddard Space Flight Center y la Universidad de Texas investigaron el fenómeno, pero no obtuvieron una respuesta satisfactoria. Sin embargo, no se observó dicha anomalía durante el segundo sobrevuelo de Galileo, en diciembre de 1992, ya que cualquier cambio en la velocidad fue enmascarado por el rozamiento atmosférico, al ser un sobrevuelo bajo, a sólo 303 km de altitud.

El 23 de enero de 1998, la sonda NEAR Shoemaker (Near-Earth Asteroid Rendezvous) experimentó un incremento de velocidad anómalo de 13,46 mm/s tras su encuentro con la Tierra. La Cassini-Huygens ganó aproximadamente 0,11 mm/s en agosto de 1999 y Rosetta sufrió un incremento de velocidad de 1,82 mm/s en marzo de 2005.