¡Arrástrame, nena! Cuando la Tierra se lleva de calle al espaciotiempo

¿Qué debemos saber sobre el efecto Thirring-Lense y cómo y cuándo se pudo confirmar esta teoría desde su aparición en el año 1917?

En 1915 los físicos matemáticos europeos estaban emocionados. Albert Einstein había lanzado a la arena de la física una nueva teoría, la relatividad general, que explicaba qué era la gravedad: una deformación del espacio debido a la presencia de objetos con masa. Para los teóricos las ecuaciones de Einstein eran hermosas y todo un reto, pues había que resolverlas para diferentes situaciones físicas. Ese mismo año el austríaco Karl Schwarzschild, desde el frente ruso –estábamos en la I Guerra Mundial-, obtuvo las soluciones para un objeto muy masivo sin rotar: acababa de descubrir la existencia teórica de un agujero negro.

Pero todo el mundo sabía que los objetos celestes giran sobre su eje. ¿Cómo introducir este hecho en las ecuaciones? Fue Einstein, con la inapreciable ayuda de sus amigos Marcel Grossmann y Michele Besso, el primero en introducir la rotación en su teoría. Dos años más tarde, en 1917, el austríaco Hans Thirring comenzó un cuaderno titulado “Wirkung rotierender Massen”, el efecto de las masas en rotación. Era un trabajo puramente teórico en el marco de la relatividad general; para buscarle las posibles aplicaciones astronómicas habló con Josef Lense. Entre sus conclusiones se encuentra lo que hoy se conoce como el efecto Thirring-Lense, aunque la clave que necesitó para progresar en su trabajo se la dio el propio Einstein en una carta del 2 de agosto de 1917: quizá sería más apropiado añadir el nombre del genio alemán a este efecto.

Arrastre del espacio-tiempo

El efecto Thirring-Lense describe lo que le sucede al espacio-tiempo cercano a un objeto en rotación. En esencia lo que se produce es un efecto de arrastre, similar al que sucede con la atmósfera de nuestro planeta: el aire que nos rodea es acarreado solidariamente a nosotros con la rotación de la Tierra. Si no fuera así, si la atmósfera se mantuviera estática mientras ella gira, notaríamos soplar sobre nuestras cabezas un viento que en el Ecuador alcanzaría los 265 km/h. Con el tejido del espacio-tiempo sucede lo mismo. Planetas y estrellas, al girar, arrastran consigo la zona más cercana a ellos. De este modo, si observáramos desde la lejanía un reloj que girase con el Sol veríamos que adelanta respecto al nuestro. Y, del mismo modo, la velocidad de la luz en el sentido de rotación es mayor que en el contrario.

Desde aquel lejano 1917 el efecto Thirring-Lense no ha dejado de ser una curiosa predicción teórica imposible de probar experimentalmente. En 1976 Van Patten y Everitt propusieron que para hacerlo se podrían usar dos satélites equipados con giróscopos de precisión que orbitaran en sentidos contrarios. La medición exige ser muy precisa pues casi es indetectable –de una doceava millonésima parte de un grado-, y además está enmascarado por otros efectos: desde los no gravitacionales, como tensiones en el aparato, vibraciones…, a minúsculas variaciones en el campo gravitatorio terrestre debido a que nuestro planeta no es una esfera perfecta.

Confirmar la predicción

En 1998 y luego en 2004 un equipo de la Universidad de Lecce (Italia) liderado por Ignazio Ciufolini y Erricos C. Pavlis del Joint Center for Earth System Tecnology de los EE UU observaron los desplazamientos  en las órbitas de dos satélites geodésicos, LAGEOS 1 y LAGEOS 2 usando telemetría láser.  “Nuestras medidas concuerdan un 99% con lo predicho por la relatividad general, siendo nuestro margen de error de más menos un 5%”, dijo Pavlis.

Sin embargo no todo el mundo está convencido de que hayan conseguido medir este elusivo efecto de la relatividad. Algunos piensan que este experimento, que utilizó datos de 11 años de observación, no fue lo suficientemente fino. Para poder hacerlo deberíamos de disponer de un modelo del campo gravitatorio terrestre real tan preciso como en una parte en una diezmillonésima.

Para eso se lanzó en 2012 el satélite italiano LARES, LAser Relativity Satellite. Lleva una esfera de tungsteno con 92 retroreflectores que permiten seguir su movimiento desde la Tierra con mucha precisión. Se encuentra a 1 400 kilómetros sobre la superficie y su trayectoria es monitorizada por la red de estaciones de telemetría láser repartida por todo el globo International Laser Ranging Service. Con un diámetro de poco más de 36 centímetros y un peso de 400 kilos su pretensión era medir el efecto Thirring-Lense con una precisión de 1%, según el director de la misión, el italiano Ciufolini.

Pero cuando se lanzó no todos estaban de acuerdo: muchos la consideraban una previsión demasiado optimista y opinaban que la precisión de este método no daría más de un 10% debido a que el LARES iba a colocarse en una órbita mucho más baja que los anteriores LAGEOS y, por tanto, sería más sensible a las sutiles variaciones del campo gravitatorio que provoca la rotación de una Tierra que no es esférica. El tiempo les dio la razón... en parte. Un análisis publicado en 2016 concluía que después de tres años y medio la precisión de las mediciones solo alcanzó el 4%.

Para solventar el problema el 13 de julio de 2022 se lanzó un segundo satélite llamado, a la sazón, LARES 2, con el que se pretende rebajar la precisión a 0,2%. Ahora está por ver si lo consiguen. 

Referencias:

Ciufolini, I.; Paolozzi A.; Pavlis E. C.; Ries J. C.; Koenig R.; Matzner R. A.; Sindoni G. & Neumayer H. (2009). "Towards a One Percent Measurement of Frame Dragging by Spin with Satellite Laser Ranging to LAGEOS, LAGEOS 2 and LARES and GRACE Gravity Models". Space Science Reviews. 148 (1–4): 71–104

Paolozzi, A.; Ciufolini I.; Vendittozzi C. (2011). "Engineering and scientific aspects of LARES satellite". Acta Astronautica. 69 (3–4): 127–134

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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