Algo pasa con la gravedad

sin-gravedadEn 1859, el mismo año en que Darwin publicaba su revolucionario y polémico libro, el astrónomo francés Urbain Jean Joseph Leverrier descubría ciertas discrepancias entre las posiciones observadas de Mercurio y las calculadas con las ecuaciones de la mecánica celeste. Según la gravitación newtoniana Mercurio debe seguir una órbita elíptica alrededor del Sol. Ahora bien, si incluimos los tirones gravitacionales del resto de los planetas aparece un efecto peculiar: la órbita no se mantiene estática en el espacio, sino que también se desplaza alrededor del Sol. Esta rotación orbital se conoce como avance del perihelio (que es el punto de la órbita más cercano al Sol), y se puede calcular con las mismas ecuaciones de la mecánica celeste. El resultado, después de farragosos cálculos, es de un avance continuado de 531 segundos de arco por siglo. O dicho de otro modo, el perihelio de Mercurio da una vuelta completa alrededor del Sol cada 244.000 años.

El problema estaba en que las observaciones de Leverrier no cuadraban con la predicción teórica: el perihelio de Mercurio viajaba un 8% más deprisa de lo predicho por la mecánica newtoniana. Leverrier postuló que esta discrepancia era debida a la influencia de un planeta aún no detectado situado entre Mercurio y el Sol, que bautizó con el nombre de Vulcano. Años antes, en 1846, había deducido la existencia de Neptuno por las perturbaciones gravitacionales que provocaba en la órbita de Urano y esta situación parecía ser la misma. Tras intensas e infructuosas búsquedas, los astrónomos decidieron que Vulcano no existía y dejaron aparcado en un oscuro rincón de la ciencia la casi inapreciable discrepancia teoría-experimento de 43 segundos de arco por siglo. Una minúscula diferencia que iba a revolucionar la física.

En 1915, Albert Einstein lanzaba su relatividad general, una nueva teoría de la gravedad que completaba y ampliaba la formulada por Newton en 1687. Y fue esa insignificante chinita que llevaba en el zapato de la astronomía más de 70 años la que le dio el espaldarazo. La teoría de Newton no podía explicar esa diferencia tan exigua; la de Einstein, sí. En el universo hasta las más ínfimas diferencias son cruciales. Desde entonces, la relatividad general es la teoría estándar de la gravedad, el cimiento sobre el que se asienta la cosmología moderna. Ahora bien, ¿es la teoría definitiva? Algunos físicos piensan que no. Porque hoy poseemos datos igualmente minúsculos que se resisten a una explicación. Por ejemplo, ciertos misteriosos movimientos de la Luna.

La sonda no tripulada soviética Luna-2 -el primer ingenio humano que aterrizó en otro cuerpo del Sistema Solar- y los astronautas de las misiones Apolo 11, 14 y 15 dejaron sobre la polvorienta superficie de nuestro satélite una serie de reflectores de aluminio, unos espejitos de 50 centímetros cuadrados que permiten calcular la distancia a la Tierra con una precisión del orden de un centímetro. Todo un logro teniendo en cuenta que la Luna se encuentra a 384.000 km de nosotros.

Después de analizar 38 años de mediciones, James G. Williams del Jet Propulsion Laboratory de la NASA descubrió que la órbita lunar se está haciendo cada vez más elíptica. En 2006 publicó sus cuentas: la diferencia entre el punto más lejano y el más cercano de la órbita estaba aumentando inesperadamente a un ritmo de 6 milímetros por año. Después de tener en cuenta otros efectos, como las fricciones de marea en el interior de la Tierra y la Luna, Williams confirmó que la diferencia seguía siendo mayor de lo esperado, casi en un factor 3. Por el momento, no tenemos una explicación clara a esa desviación.

Otra señal de que algo puede estar pasando con la gravedad la tenemos en la determinación de la unidad de distancia utilizada por los astrónomos cuando se refieren a sistemas solares: la unidad astronómica (UA). Definida como la distancia media de la Tierra al Sol -149,6 millones de kilómetros- se obtiene mediante observaciones en ondas de radio de las posiciones relativas entre los planetas interiores, con una precisión de entre 1 y 10 metros. Esto se realiza desde radiobservatorios terrestres o por telemetría desde las sondas espaciales. Así, se han utilizado los transpondedores llevados a Marte por las sondas Viking desde 1976 a 1982 y los de la Pathfinder en 1997.

Luego se comparan con las posiciones planetarias calculadas con las ecuaciones de la mecánica celeste y se obtiene el valor de la velocidad de la luz en unidades astronómicas por día, en lugar de los habituales metros por segundo. Como la velocidad de la luz es una constante, basta con pasar de días a segundos para obtener el valor de la unidad astronómica en metros. El valor aceptado en la actualidad se calcula a partir de las efemérides D405 del Jet Propulsion Laboratory (JPL), aunque en la Europa del Este se usa el de las efemérides EPM2004 del Instituto de Astronomía Aplicada de la Academia de Ciencias Rusa. Veamos lo poco que discrepan ambos cálculos, que se pueden achacar a errores experimentales: los norteamericanos han obtenido el valor de 149597870697 metros y los rusos, 149597870696,0. Con una exactitud de once cifras, es la constante astronómica más precisa jamás medida.

Sin embargo es posible que la UA no sea tan constante como los astrónomos suponen. En 2004 E. Myles Standish del JPL afirmó que, usando los datos recogidos entre 1976 y 1997, la UA parecía crecer con el tiempo. O lo que es lo mismo, el radio de la órbita terrestre está aumentando. Ese mismo año los rusos Georgij Krasinsky y Victor Brumberg, del Instituto de Astronomía aplicada de San Petersburgo, analizaban más de 200.000 observaciones y descubrían que aumentaba a un ritmo de 15 metros por siglo. En 2005, la astrónoma Elena Pitjeva, del mismo Instituto, publicaba un análisis aún más detallado de 317.000 observaciones que iban desde 1913 a 2003. Los resultados de la astrónoma, que determinan el valor de la UA con una precisión de un metro, revelan que crece unos 7 metros por siglo. ¡Y no debería hacerlo!

No obstante, la anomalía más misteriosa de todas es la descubierta con las sondas espaciales Pioneer 10 y 11. Las dos están saliendo del Sistema Solar en direcciones diferentes, pero no se encuentran donde los científicos esperaban. La Pioneer 10 fue lanzada en marzo de 1972 y, tras estudiar Júpiter, va camino de la estrella Aldebarán, donde llegará dentro de 2 millones de años. Mientras, la Pioneer 11, lanzada al año siguiente, pasó junto a Júpiter y Saturno y ahora viaja hacia la constelación del Águila; pasará cerca de la estrella lamda Aquila en 4 millones de años. A finales de la década de 1990 Michael Martin Nieto del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Philip Laing y Anthony Liu de Aerospace Corporation y John D. Anderson, Slava Turyshev y Eunice Lau del JPL estudiaron los datos recogidos de la Pioneer 10 durante 11 años y de la Pioneer 11 durante 4. Y encontraron que estaban ligeramente fuera de curso. Las naves experimentaban una débil pero constante deceleración: en 1998 la Pioneer 10 estaba 58.000 kilómetros más cerca de lo esperado y la otra nave gemela estaba 6.000 km más cerca. Algo casi insignificante tras 10.500 millones de kilómetros, pero muy significativo porque la mecánica celeste es lo suficientemente exacta para dar cuenta de esta anomalía. ¿Quién pisa el freno de las naves? Muchas han sido las hipótesis pero ninguna ha podido explicarlo de manera satisfactoria. ¿Se trata de algún efecto no gravitatorio o es la señal de que hay algo en la gravedad que se nos escapa?

EL EFECTO ALLAIS

A mediados del siglo pasado el matemático Maurice Allais, que ganaría el Premio Nobel de Economía en 1988, afirmó haber encontrado un comportamiento extraño en un péndulo. La física más elemental nos dice que el plano en el cual oscila un péndulo es constante en el tiempo, no se mueve, a pesar de que la Tierra gire sobre sí misma. Esto hace que los visitantes se queden maravillados con el famoso péndulo de Foucault situado en la entrada de muchos museos de ciencia. Pero Allais afirmó haber encontrado durante los eclipses solares de 1954 y de 1959 que esto no era así. Según él, el plano de oscilación presentaba un levísimo desplazamiento -precesión, en términos técnicos-.

Esta misma anomalía ha sido descrita por Saxl y Allen en 1970 y un equipo de científicos chinos durante los eclipses de 1997, 2001 y 2002. E incluso en 1961 el rumano Jeverdan publicó este comportamiento anómalo del péndulo en una revista científica de habla no inglesa, por lo cual quedó condenado al olvido. De todas las explicaciones alternativas propuestas ninguna ha explicado estas desviaciones de la teoría, pero también debe señalarse que las diferentes mediciones realizadas hasta ahora no son totalmente convincentes. Se necesitan más experimentos mucho más precisos para poder establecer el valor exacto de esta anomalía. Unos experimentos baratos de realizar -algo poco común en una época de grandes aceleradores o carísimos satélites artificiales- y que de ser confirmado podría revolucionar la física.

En 2006 Slava Turyshev pudo salvar de la destrucción parte de los discos que contenían datos telemétricos, temperatura y de potencia de las Pioneer hasta 2003. Junto con Viktor Toth, un programador de Ottawa, Canadá, diseñó el modo de extraer esos datos: el procesado de 50 años de telemetría no es moco de pavo. Pensaban que quizá pudiera explicar esta anomalía la energía liberada por el reactor de plutonio que se perdía en el espacio en forma de calor. Sin embargo, los cálculos mostraron que solo daba cuenta del 30%. Ante estos resultados, no es de extrañar que Viktor Toth dijera: "Si realmente tuviéramos un medio de medir las desviaciones de la gravedad einsteniana en el Sistema Solar, ¡sería fenomenal!".

Por desgracia, lo que se ha hecho con las Pioneer no se puede hacer con la otra pareja de naves gemelas lanzadas en los 1970 que están saliendo de nuestro Sistema Solar, las Voyager: el gas que eyectan de manera continuada para estabilizarse enmascara cualquier otro efecto. La única oportunidad que tendremos para comprobar este misterioso fenómeno será con la New Horizons. Lanzada en enero de 2006, pasó por Júpiter en 2007 y por Saturno al año siguiente camino de Plutón, donde llegará en 2015. Desgraciadamente, esta nave no ha sido preparada para un seguimiento de precisión como sucedió con las Pioneer, pero los astrónomos creen que quizá puedan sacar algún dato de utilidad que arroje algo de luz sobre el misterio en 2010 y 2011. Pero las rarezas gravitatorias no terminan aquí. En 2008 los científicos del JPL James K. Campbell, John E. Ekeland, James F. Jordan y John D. Anderson anunciaban en la prestigiosa revista Physical Review Letters el descubrimiento de cambios anómalos en la energía orbital de 6 naves que se ayudaron del campo gravitatorio de la Tierra en su ruta hacia otros planetas, una maniobra clásica para ahorrar combustible que recibe el nombre de flyby.

La primera pista de esta anomalía la obtuvieron siguiendo el flyby de la sonda Galileo el 8 de diciembre de 1990. La nave se estaba aproximando a la Tierra a una velocidad de 8,981 metros por segundo. Tras descontar todas las influencias del resto de los planetas y la Luna descubrieron que iba demasiado deprisa. El exceso era muy pequeño, del orden de 4 milímetros por segundo. Ciertamente no era mucho, pero estaba ahí, como el exceso de Mercurio. ¿Pudo tratarse de un error de medida? No se sabe. En el nuevo paso dos años más tarde la Galileo atravesó las capas altas de la atmósfera, lo que impidió cualquier intento de hacer una medición precisa. Sin embargo, el paso de la Near Earth Asteroid Rendezvous-Shoemaker (NEAR-Shoemaker) el 23 de enero de 1998 también mostró ese aumento de velocidad, casi tres veces mayor que la medida en la Galileo, 13,5 mm/s. Los astrofísicos estaban estupefactos. Cuando la nave Rosetta hizo su flyby en 2005 la anomalía medida fue de 2 mm/s.

¿Qué provoca ese aumento? Nadie lo sabe. En el siguiente flyby de Rosetta de noviembre de 2007 nada pareció afectar su velocidad. Sin embargo, la Cassini-Huygens, ahora en órbita alrededor de Saturno, ganó 0,11 mm/s. No es de extrañar que los astrónomos esperen con gran interés el siguiente paso de la Rosetta antes de enfilar su objetivo, el cometa Churyumov-Gerasimenko, el 13 de noviembre de este año. Un efecto que podrá comprobarse en años posteriores, cuando la nave Juno se lance en 2011 con destino a Júpiter y utilice el campo gravitatorio terrestre como lanzadera en octubre de 2013.


Muchas son las explicaciones que se han dado para estos extraños fenómenos. La mayoría tienen que ver con efectos bien conocidos, como el calor radiado por las Pioneer. Pero si quien pisa el freno es la emisión térmica de la nave ¿por qué al ir enfriándose la fuente de calor la nave no acelera? El ritmo al cual están frenando se ha mantenido constante a lo largo de 11 años. En 2006 Claus Lämmerzahl y Hansjörg Dittus de la Universidad de Bremen y Olivier Preuss del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar estudiaron de manera sistemática todas las explicaciones dadas como posible causa de las anomalías de los flyby: la atmósfera terrestre, las mareas oceánicas, las mareas sólidas terrestres, la carga de la sonda, el campo magnético, el viento solar... Ninguna explica más del 10% del total y el efecto de la mayoría de las posibles causas es 1.000 veces más pequeño de lo necesario para afectar a la astronave.

gravedad1¿Nos enfrentamos con una nueva física? Eso piensan unos cuantos astrofísicos, que sospechan que nos encontramos a las puertas de una nueva teoría de la gravedad. ?Desde la década de 1970 los astrónomos saben que las regiones más externas de las galaxias parecen violar las leyes de la gravitación newtoniana?, dice John D. Anderson. Por aquella época todo el mundo esperaba que las estrellas de esas zonas se comportaran siguiendo las inexcusables leyes de la mecánica celeste: la velocidad orbital se reduce a medida que nos alejamos del centro galáctico. Sin embargo, se encontró que todas las estrellas situadas en las zonas exteriores de la galaxia se mueven a la misma velocidad independientemente de su distancia al centro. La única manera de reconciliar la gravedad newtoniana con las observaciones era postulando la existencia de un halo de materia que envuelve la galaxia. Claro que esta solución provocaba nuevos e incómodos interrogantes. ¿Por qué no observamos ninguna traza de su existencia? Si fuera materia normal emitiría un mínimo de radiación, pero no recibimos ni un solo fotón de ese supuesto halo.

¿Solución? Una nueva huída hacia adelante afirmando que se trata de algo totalmente diferente y extraño a la que conocemos y sobre la que no existe la más mínima evidencia de qué puede tratarse, un tipo de materia indetectable que solo se deja ver por el influjo gravitacional que provoca en las estrellas circundantes. Esta es la materia oscura, un caramelo para los físicos teóricos pues tienen patente de corso para estirar sus teorías y sacar de la chistera partículas de lo más peregrinas que puedan dar cuenta de unas propiedades tan coloristas.

La materia oscura se enfrenta a un peculiar reto: han pasado casi 80 años desde que Fritz Ziwcky postulada su existencia por primera vez y nadie sabe qué es; ni siquiera hay una observación directa que nos confirme que está ahí. En la actualidad hay una decena de experimentos en marcha en laboratorios subterráneos -como el de Canfranc en el Pirineo aragonés- esperando ver una partícula de materia oscura chocando con un núcleo atómico. Otros doce pretenden detectar la aniquilación de una pareja de partículas de materia oscura mientras se espera a que el LHC de Ginebra, el famoso acelerador que se estropeó al poco tiempo de inaugurarse, pueda producirla. Ante esta sequía de pruebas lo que la física está pidiendo es un acto de fe, muy parecido al que pidió en el siglo XIX con el también indetectable éter, infinitamente rígido y elástico a la vez.

LA FUNDACIÓN PARA LA INVESTIGACIÓN EN GRAVEDAD

En 1948 el empresario Roger Babson creaba esta fundación destinada a encontrar la manera de construir un escudo gravitatorio. Al igual que en las películas de ciencia ficción, o la famosa piedra cavorita con la que H. G. Wells llevó a sus protagonistas a la Luna, su finalidad es buscar la manera de impedir que la gravedad desarrolle su trabajo. Incluso creó un premio anual destinado a aquellos científicos que hicieran progresos en este campo. La fundación desapareció al poco de tiempo de la muerte de Babson en 1967, pero su premio continúa, que Stephen Hawking ha ganado en diferentes ocasiones.

Tal situación ha sembrado un bien fundado escepticismo entre algunos cosmólogos. Los científicos del Fermilab de Chicago Scott Dodelson y Michele Liguori buscan pruebas que justifiquen la existencia de una nueva teoría de la gravedad capaz de explicar la estructura a gran escala del universo. "Debemos estar condenadamente seguros de que no podemos explicar el universo de otro modo que no sea aceptando la materia oscura", dice Dodelson. El camino al que apuntan es modificar la teoría de Einstein, hacerla más precisa, del mismo modo que hizo el genio alemán al completar la gravitación universal de Isaac Newton.

Una posibilidad es la llamada teoría de la gravedad relativista covariante, formulada en 2004 por Jacob Bekenstein. Está basada en una versión modificada de la teoría newtoniana publicada en 1983 por Mordehai Milgrom. Según este físico israelí la teoría de Newton no se aplica bien a regiones de densidad de materia extremadamente baja. Según él la gravedad es más intensa en sistemas difusos y esto puede explicar el movimiento de las estrellas en las regiones exteriores sin tener que hace uso de la invisible y misteriosa materia oscura. Así, de igual modo que la teoría newtoniana no se aplica en campos gravitatorios intensos y debe ser sustituida por la einsteniana, quizá sea necesaria una nueva teoría para regiones con campos muy débiles. Esta propuesta inicial de Milgrom ha sido retomada, completada y corregida por Bekenstein. Pero todavía hay mucho camino por recorrer. "Debemos comprobar todas las predicciones de la nueva teoría y compararla con el paradigma de la materia oscura para ver si es una alternativa viable", añade Liguori.

Otro físico, John Moffat, ha propuesta una teoría gravitacional no-simétrica que también intenta explicar el misterio de la materia oscura. En esencia sigue el mismo camino que recorrió Einstein en los últimos años de su vida y fracasó: encontrar una teoría unificada de campos. El asunto es bastante técnico y la clave reside en comparar las ecuaciones del campo electromagnético con las del gravitatorio. Entre ellas hay una peculiar diferencia que si se solventase apuntaría a "la existencia de una nueva fuerza fundamental en el universo", dice Moffat.

Las complicaciones matemáticas de esta aventura científica son homéricas y hasta el momento solo se han encontrado aproximaciones a lo que podría ser una nueva teoría, pero los pocos físicos que trabajan en ello piensan que van a poder expulsar del universo esa inexplicable materia oscura.

Y si no teníamos suficiente con ella, en 1997 los cosmólogos añadieron una complicación aún mayor: ese año se descubrió que el universo estaba acelerando. La relatividad general dice que, si no hay más materia que la que arde, es imposible luego "algo" debe estar empujando. ¿El qué? Nada más fácil. Ya teníamos la materia oscura para explicar el movimiento de las estrellas, luego introduzcamos algo aún más extraño para explicar esta aceleración: la energía oscura. No obstante, un pequeño número de científicos sostienen que no es más que una nueva indicación de que debemos modificar nuestra concepción de la gravedad. Entre ellos se encuentran Martin Kunz y Domenico Sapone. El problema fundamental, como estos dos físicos declaran, es que "no podemos observar directamente ni la energía oscura ni la gravitación modificada". No hay manera de distinguir experimentalmente entre ambas: "las dos parecen lo mismo", añade Kunz. Su esperanza se encuentra en estudiar ciertos aspectos relacionados con el fenómeno conocido como lente gravitacional, esto es, el efecto que tiene en el camino recorrido por un rayo de luz la presencia de campos gravitatorios cercanos. El tiempo dirá si Einstein tenía razón después de todo.

Miguel Ángel Sabadell

Etiquetas: Einsteinfísicamateria oscura

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