jueves, 14 de mayo de 2009

Gravity Probe B

La Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein ha sido sometida, como toda teoría de la Física, a una cantidad enorme de experimentos, a cada cual más ingenioso, y ha salido airosa. Pero los físicos son escépticos por naturaleza, y seguirán probando la teoría. Si esta teoría o cualquiera de las que Roger Penrose consideraba "supremas" (porque describen la naturaleza con una precisión exquisita; todas ellas teorías de la Física, y una de la Biología) cayese, el que diese la prueba en contra sería postulado para el Premio Nobel de Física de la siguiente década, y esa es una buena motivación extra. Como decía el propio Einstein: "Ninguna cantidad de experimentos puede probar definitivamente que tengo razón; pero un solo experimento puede probar que estoy equivocado".

Otro experimento más ha sido realizado, y la teoría otra vez ha salido ilesa. Se trata del satélite Gravity Probe B, un experimento espacial con un costo de 700 millones de dólares.

El experimento llevado a cabo por la Gravity Probe B fue concebido hace 40 años, pero sólo recientemente se han desarrollado los instrumentos para hacer las mediciones ultra precisas necesarias. Su antecesora, la Gravity Probe A, lanzada en 1976 al espacio por poco menos de dos horas, comprobó el efecto predicho por la Relatividad General de que los relojes deberían ir a la altura de 10 mil kilómetros 0.00000000045 más rápido que en la superficie de la Tierra. El experimento comprobó la predicción con una precisión de una parte en 70 millones, confirmando la predicción de que la gravedad relentiza el paso del tiempo.


La Gravity Probe B, por otro lado, trata de comprobar otras dos predicciones de la Relatividad General: el efecto geodético (geodetic effect) y el arrastre del espacio (frame-dragging).


El efecto geodético, predicho por William De Sitter, provoca que el eje de rotación de un objeto se desvíe en cada giro por la curvatura del espacio-tiempo (en este caso, provocada por la Tierra). Se planea que la Gravity Probe B pueda comprobar este efecto con una precisión de 1 parte en 10 000, convirtiéndola en la medición más precisa hasta la fecha.

El arrastre del espacio es, por otro lado, un efecto mucho más sutil, y una consecuencia de un efecto más general llamado gravitomagnetismo. Predicho por Josef Lense y Hans Thirring, el efecto del arrastre del espacio dice que un cuerpo en rotación arrastra el espacio-tiempo conforme gira, provocando cambios de posición en los cuerpos a su alrededor. La variación con respecto a las predicciones de la física de Newton es de una parte en unos cuantos billones, y será mucho más difícil de medir que el efecto geodético.
Para poder hacer las mediciones la Gravity Probe B se valió de varios records de instrumentos experimentales. Veamos:
- Se usaron 4 giroscopios. Los giroscopios estuvieron hechos de los objetos más esféricos jamás hechos por la humanidad (40 átomos como máximo de imperfección, un Record Guinness). Las esferas estuvieron suspendidas por levitación electrostática y giraron 170 veces por segundo. En el espacio exterior se necesitan solamente 100 milivoltios para levitar objetos de ese tamaño.
- Los giroscopios estuvieron dentro del termo más grande del mundo, enfriadas por helio a una temperatura menor que la del espacio exterior, reduciéndose así los choques moleculares que afectecten la rotación de las esferas al mínimo.
- Su eje de rotación estuvo orientado por medio de un telescopio hacia una estrella (Pegasi) que sirva como referencia para medir su desviación, se esperaba fuese de 0.0018 grados por año. El telescopio ha captado como bonus extra datos sobre la brillantez de la estrella durante más de un año, convirtiéndose en la recolección continua de datos de una sola estrella más extensa de la historia.
- Una preocupación del experimento es controlar la velocidad de giro de las esferas. Para eso se midió su campo magnético con un cuidado extremo, utilizando los magnetómetros SQUID, que permitían medir campos de una billonésima del campo magnético terrestre. Para que el campo magnético de lo que rodeaba las esferas no interfiriese, se redujo el campo magnético circundante a una millonésima del campo terrestre, el menor campo magnético obtenido hasta la fecha en el espacio exterior.
- La disminución de la velocidad de giro de las esferas por el choque molecular (también conocido como fricción; habían moléculas de gas rodeando las esferas a pesar del alto vacío en el que levitaban) fue mucho menor de la esperada. Si el experimento hubiese funcionado unos 15 mil años más, recién la velocidad de giro hubiese disminuido un 37%. En la Tierra, una pelota de ese tamaño deja de girar en unos cuantos segundos por la fricción del viento y del piso.
- Para leer sobre la decena de nuevos inventos y los desafíos y soluciones ingeniosas que ha generado este proyecto, ver (en inglés): http://einstein.stanford.edu/TECH/technology3.html
Los resultados preliminares de la NASA (los resultados finales serán publicados a finales de este año en revistas científicas, y luego del probable debate y la verificación por otros físicos se esperan conclusiones para el 2010) muestran que el efecto geodético se cumple de acuerdo a las predicciones de la Relatividad General con una precisión del 0.5%. Por otro lado, el arrastre del espacio se ha verificado hasta un 15%. Sin embargo, en este último caso la magnitud del ruido es comparable a la magnitud del efecto, y se necesita mucho más tiempo para eliminar las causas de ese ruido. Se espera que haya mucho escepticismo de parte de los científicos respecto a la comprobación del arrastre del espacio. De hecho, se ha dicho que las mediciones con láser utilizando los retroreflectores dejados por los astronautas que visitaron la Luna han sido, en los 40 años que vienen funcionando, mucho más útiles. Con estos láseres se ha logrado comprobar el efecto de gravitomagnetismo con una precisión de 0.1%, comparado con el 3% que se espera lograr para el 2010 con los datos de la Gravity Probe B. El efecto hacía que la Luna oscile 6 metros en su órbita. Sin embargo, como dice el físico Tom Murphy, los láseres proveen mediciones indirectas, y es mejor obtener datos de algo en donde se puedan controlar las posibles fuente de error, como pasa con la Gravity Probe B.
La NASA anunció que, de las 10 misiones más grandes que lleva a cabo, la Gravity Probe B ya no recibirá mayor financiamiento (la misión experimental ya ha acabado; el financiamiento extra sería sólo para la interpretación de los datos). La USAFA (Fuerza Aérea de Estados Unidos) va a usar la nave para entrenar cadetes, gracias a un acuerdo firmado con la Universidad de Stanford y la NASA, y se espera que siga funcionando 8 años más. Hasta febrero del 2009, la misión se mantenía viva gracias a los 500 mil dólares donados por el hijo de un menton de un profesor de Física de Stanford. Sin embargo, recientemente, un miembro de la familia real de Arabia Saudita ha donado otros 2.7 millones de dólares para extender el tiempo de análisis de los datos.

A continuación, pueden ver algunas imágenes interesantes sobre la Gravity Probe B:

El certificado del Record Guinness a los objetos más esféricos hechos por el hombre.





Una de las esferas que conforma los ultra precisos giróscopos.






Una ojeada al interior de la Gravity Probe B.




Un mapa de las deformaciones de ambos lados de una de las esferas. Es perfectamente redonda hasta 40 átomos de discrepancia. Si la esfera fuese del tamaño de la Tierra, las deformaciones más "altas" equivaldrían a "montañas" de sólo 3 metros de altura.






Una de las esferas de cuarzo, de 38 milímetros de diámetro, rodeada por una capa de niobio. Era suspendida electrostáticamente gracias a voltajes aplicados por los electrodos de los cilindros blancos que la rodean en la foto. Un gas hacía que girase a 170 vueltas por segundo. Luego, el gas era extraído, y la esfera levitaba en el vacío del espacio mientras giraba a esa velocidad.






El experimento constó básicamente de una caja de cuarzo donde estuvieron los cuatro giróscopos junto con toda la circuitería electrónica. Hubo, además, un telescopio adherido a la caja, que la orientaba a una estrella guía, Pegasi. El telescopio y la caja tenían aparatos de medición que podían detectar cambios angulares de hasta 0.1 milisegundos de arco (el ángulo correspondiente a un cabello humano visto desde 10 millas de distancia).





El cohete que envió a la Gravity Probe B, despegando rumbo al espacio. La cuenta regresiva para lanzar el cohete no fue de 10 hasta 1, como se acostumbra, sino de sólo 1 segundo, por la necesidad de suma precisión en la órbita.






Una de las esferas siendo sostenida por un científico, con sumo cuidado.



Vista de cerca de uno de los electrodos de la caja de cuarzo.






El reflejo de una foto de Einstein en una de las esferas de cuarzo.


El termo más grande del mundo: contenía 2300 litros de helio líquido en su estado de superfluidez que mantendrán a una temperatura de 2 K (un poquito menos que la temperatura del espacio exterior) por un promedio de 16.5 meses y aseguraba junto con las demás precauciones que sólo la curvatura del espacio-tiempo fuese la que cambiase el eje de giro de los giroscopios.

Un video corto e instructivo (pero en inglés) del principio básico del experimento de la Gravity Probe B puede ser encontrado en http://einstein.stanford.edu/Media/Simple_Expt_Anima-Flash.html
Una explicación fácilmente entendible (pero en inglés) dada por Kip Thorne (el que hacía apuestas de Física con Stephen Hawking) acerca de las consecuencias profundas de los efectos que pretende comprobar la Gravity Probe B se encuentra en este video de 2 partes, filmado antes de que el satélite se enviase al espacio:
En esta página, también de Stanford (y en inglés), puede verse más videos sobre el diseño experimental del satélite:

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