Ciencia@Nasa

La Sonda Gravity Probe B está ahora orbitando la Tierra. [Más]

La nave espacial con la Sonda Gravitiy Probe B salió hoy de la Tierra en búsqueda de una fuerza causada por un fenómeno de la naturaleza, que se sospecha que existe desde hace mucho tiempo, pero que nunca ha logrado demostrarse: el gravitomagnetismo.

El gravitomagnetismo es producido por las estrellas y planetas cuando giran. “Su forma es similar al campo magnético producido por una bola de carga eléctrica cuando gira”, explica el físico Clifford Will de la Universidad de Washington (St. Louis). “Al cambiar la carga eléctrica por masa, el magnetismo se convierte en gravitomagnetismo”.

No nos percatamos del gravitomagnetismo en nuestra vida diaria, pero de acuerdo con la teoría de Einstein sobre la Relatividad General, existe y es real. Cuando un planeta (o una estrella o un agujero negro . . . o algo con masa) gira sobre su propio eje, arrastra el espacio y el tiempo a su alrededor, una acción conocida como el “arrastre del marco de referencia”.| El tejido del espacio-tiempo se retuerce formando un vórtice. Einstein dice que todas las fuerzas gravitacionales corresponden a la curvatura del espacio-tiempo, y “la retorcida” es el gravitomagnetismo.

¿Qué efectos tiene el gravitomagnetismo?. “Puede inducir un movimiento de precesión en la órbita de satélites”, dice Will, “y causa que un giroscopio oscile cuando se pone en órbita alrededor de la Tierra”. Ambos efectos son pequeños y difíciles de medir.

Los investigadores dirigidos por el físico Ignazio Ciufolini, han tratado de detectar el movimiento de precesión en la órbita de satélites causado por el efecto del gravitomagnetismo.

Para su estudio, utilizaron los satélites Geodinámicos de Rayos Láser, LAGEOS y LAGEOS II, dos bolas de 60 cm de diámetro incrustadas con espejos. El alcance preciso de rayos láser al par de bolas, permite que sus órbitas sean detectadas. Los investigadores encontraron un pequeño movimiento de precesión (hasta un nivel del 20%) consistente con el gravitomagnetismo.

Pero resulta que existe un problema: la protuberancia ecuatorial de la Tierra también arrastra los satélites y causa un movimiento de precesión que es miles de millones de veces más grande que el causado por el gravitomagnetismo. ¿Será que Ciufolini y los otros investigadores sustrajeron este arrastre gigantesco con la suficiente precisión para detectar el gravitomagnetismo?. Muchos científicos aceptan estos resultados, añade Will, mientras que otros permanecen escépticos.

La Sonda de Gravity Probe B, desarrollada por científicos de la Universidad de Stanford y de la NASA, harán el experimento de una manera diferente, pues utilizarán giroscopios. La nave espacial orbita alrededor de la Tierra en una órbita polar de 400 millas de altura (640 km). A bordo de la nave van cuatro giroscopios, cada uno compuesto de una esfera de 1.5 pulgadas de diámetro (38 mm) suspendidas en el vacío y girando diez mil veces por minuto.

Representación gráfica de un artista del espacio-tiempo retorcido alrededor de la Tierra [Más].

Si las ecuaciones de Einstein son correctas y el gravitomagnetismo es real, los giroscopios rotativos deben oscilar cuando recorran la órbita alrededor de la Tierra. Sus ejes de rotación se inclinarán, poco a poco, hasta que después de un año, se inclinarán 42 mili-arcosegundos desde la posición en que se hallaban inicialmente. La sonda Gravity Probe B puede medir este ángulo con una precisión de 0.5 mili-arcosegundos, o sea el 1% aproximadamente.

Cualquier ángulo medido en mili-arcosegundos es muy pequeño. Consideremos lo siguiente: un arcosegundo es igual a la 1/3600 parte de un grado. Un mili-arcosegundo es mil veces más pequeño. La precisión de la mitad de un mili-arcosegundo esperada para la Sonda de Gravedad B, corresponde al espesor de un papel sostenido de canto a una distancia de 100 millas (160 km).

Es un gran reto detectar oscilaciones tan pequeñas, y los científicos que trabajan en la Sonda Gravity Probe B, tuvieron que inventar tecnologías completamente nuevas para lograrlo.

Los giroscopios de la Sonda Gravity Probe B (GPB’s) son los objetos más redondos que se hayan fabricado. Los ingenieros del Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA (NASA Marshall Space Flight Center) los rectificaron hasta una dimensión que tiene una tolerancia de 0.01 micras (menor de 40 veces el diámetro de un átomo) de esfericidad perfecta. Las irregularidades deben ser eliminadas pues los giroscopios podrían oscilar por sí solos, sin la influencia del gravitomagnetismo. [Más].

El equipo de trabajo del Concejo de Investigación Nacional (National Research Council) entre ellos Cliff Will, escribió en 1995, “en el transcurso del trabajo de diseño de la Sonda Gravity Probe B, el equipo ha aportado contribuciones brillantes y originales a la física y tecnología básicas. Sus miembros estuvieron entre los primeros en medir el momento “London” de un superconductor que gira, el primero en sacar provecho del método del encierro superconductivo, para excluir el flujo magnético y también el primero en utilizar un “tapón poroso” para confinar helio superfluido sin aumento de la presión. Ellos demostraron el concepto del satélite sin arrastre, y más recientemente algunos miembros del grupo han impulsado el uso diferencial del Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en Inglés) para crear un sistema de aterrizaje de aviones altamente confiable y preciso”.

Estos resultados no son del todo malos para una investigación básica...

Los físicos están ansiosos y emocionados con los resultados de la Sonda Gravity Probe B. Están ansiosos porque el gravitomagnetismo puede que no exista. La teoría de Einstein puede estar equivocada (una posibilidad no compartida por todos) lo que podría iniciar una revolución en la física. Están emocionados por la misma razón. Todos quieren estar disponibles para el próximo gran avance de la ciencia.

Cerca de la Tierra, el gravitomagnetismo es débil. Esta es la razón por la que los giroscopios de la Sonda de Gravedad B oscilarán solamente 42 mili-arcosegundos. Pero el gravitomagnetismo puede ser potente en otras partes del universo, como por ejemplo, “cerca de un sistema giratorio de un agujero negro o una estrella de neutrones” dice Will. Generalmente una estrella de neutrones contiene más masa que el sol dentro de una bola de solo 10 km de diámetro, y gira cientos de miles de veces más rápido que la Tierra. El campo gravitomagnético en este caso puede ser considerable.

Los astrónomos ya pueden haber observado los efectos del gravitomagnetismo. Algunos agujeros negros y estrellas de neutrones disparan chorros de materia brillante a una velocidad que se aproxima a la de la luz. Estos chorros salen en parejas, dirigidos en direcciones opuestas, como si emergieran de los polos de un objeto rotativo. Los teóricos piensan que estos chorros son generados y alineados por el gravitomagnetismo.

Una representación artística del espacio-tiempo retorcido alrededor de un agujero negro que gira. Cortesía de Joe Bergeron de la revista Sky & Telescope

Además, los agujeros negros están rodeados por discos de materia que se introducen en ellos, los cuales son llamados “discos de aumento”, tan calientes que resplandecen en la región de rayos X del espectro electromagnético. Existe evidencia, tal como lo demuestran los telescopios de rayos X del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, que estos discos oscilan, como se espera que lo hagan los giroscopios de la Sonda Gravity Probe B. “¿Será que otra vez es causa del gravitomagnetismo?” Quizás.

Aquí en nuestro sistema solar el gravitomagnetismo puede ser débil. Esto nos conduce a preguntarnos, ¿para qué será útil el gravitomagnetismo cuando lo encontremos?. La misma pregunta surgió, muchas veces, en el siglo XIX cuando Maxwell, Faraday y otros estaban explorando el electromagnetismo. ¿De qué utilidad podría ser?

Hoy estamos rodeados por los beneficios de su investigación. Bombillas, computadoras, lavadoras de ropa, internet; y la lista continúa. ¿Para qué será útil el gravitomagnetismo?. ¿Será “otro hito en la trayectoria de nuestra búsqueda interior para entender nuestro origen?”, se pregunta Will. O será algo inimaginablemente práctico? El tiempo lo dirá.

Nota del Editor: el físico Clifford Will, a quien entrevistamos para este artículo, no es un miembro del equipo de la Sonda Gravity Probe B. Sin embargo, es un experto en Relatividad General, y un asesor del proyecto de la Sonda Gravity Probe B, que ha participado en varias reuniones de trabajo para la revisión de misiones, invitado directamente por la NASA.