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Gravity Probe B :: GP-B

 

Índice

  1. Introducción
  2. Base Teórica
  3. Principio Experimental
  4. Equipo y Funcionamiento
  5. Resultados Esperados y Conclusiones
  6. Experimentos y Aprendizaje

 

1. Introducción

La Sonda de Gravedad B es un experimento de relatividad mediante giroscopios desarrollado por El Centro De Vuelo de la NASA, La Universidad de Stanford y Lockheed Martin para probar dos extraordinarias, no-verificadas predicciones de la teoría general de la relatividad (1916) de Albert Einstein.

  • El espacio-tiempo curvado - La teoría de Einstein predijo que la presencia de una masa en el espacio, como la tierra, transformaría el espacio-tiempo local, creando una inclinación o curva en el espacio-tiempo.
  • El efecto 'arrastre de marco' - Unos cuantos años después que Einstein publicó su teoría, los físicos Lense y Thirring predijeron que la rotación de una masa en el espacio torcería o arrastraría el marco espacio-tiempo local alrededor de él.

Para observar y medir estos efectos, la Sonda de Gravedad B lanzará 4 giroscopios sofisticados a una baja órbita polar terrestre (400 millas/643.7376 Km) por 18 a 24 meses. Una vez en órbita, cada eje de rotación de los giroscopios será monitoreado mientras viaja por el espacio-tiempo local. Científicos predijeron que cada eje de rotación de los giroscopios girará 6.6 arco segundos por año debido a la curvatura del espacio-tiempo local, y 42 miliarco segundos por año a causa del efecto arrastre de marco.

 

2. Base Teórica

En la teoría de la relatividad general de Einstein, el espacio es transformado de la idea de Newton (un vacío inmenso con nada más que la fuerza de la gravedad para guiar el movimiento de la materia a través del universo), a una estructura invisible de espacio-tiempo, el cual "agarra" materia y da dirección a su curso.

Dos observaciones, una revolución (De gravedad a espacio-tiempo)

La teoría de la gravedad de Newton (1687) es tan familiar para nosotros como caminar cuesta abajo por una montaña. Como ponemos un pie delante del otro, la fuerza invisible de la gravedad sale de la tierra y jala cada pie hacia la tierra. Sentimos esta fuerza y dejamos caer nuestro pie y continuamos bajando. La misma fuerza invisible que nos mantiene pegados a la tierra mantiene a los planetas en su órbita alrededor del sol. De acuerdo a Newton, la gravedad del sol se extiende a través del espacio vacÌo y constantemente jala a los planetas hacia él, previniendo que escapen de nuestro sistema solar.

Esta teoría permaneció como la mejor explicación para las órbitas planetarias y la aparente "caída" de objetos en la tierra por varios siglos. No fue hasta comienzos del siglo XX que Einstein comenzó a trabajar en sus teorías de la relatividad que la teoría de la gravedad de Newton fue seriamente retada.

En 1905 y 1906 Einstein creó su teoría de la relatividad especial en una colección de papeles. El centro de su teoría era su afirmación que la velocidad de la luz en el vacío (299.792 Km/s) era el límite de toda materia y energía en el universo. Mientras que la materia y energía podría viajar a velocidades aproximadas o igual a la velocidad de la luz, nunca podrían superar este límite.

Con este principio a la mano, Einstein cambio su atención a la teoría de la gravedad de Newton. Einstein se enfocó en dos observaciones que retaban la teoría de Newton. La primera relacionada al límite de la velocidad de la luz, y sus implicaciones a los límites de la velocidad para la fuerza de gravedad. La segunda relacionada con el Principio de Equivalencia.

NOTA: relatividad general vs. relatividad especial
Relatividad Especial (1905).- Afirma que el tiempo y la distancia no son absolutos -- el paso de un segundo varía de acuerdo a la perspectiva del observador.
Relatividad General (1916).- Afirma que la gravedad afecta al tiempo y a la distancia, estrechando el tiempo y contrayendo la distancia en la presencia de un campo gravitacional.

Observación #1 - el problema de la Propagación Instantánea

Newton observó que la fuerza atractiva de la gravedad emanaba de toda la materia, pero no explicó como se transmitía físicamente de una masa a otra, ni cuánto tardaba esta transmisión. Simplemente infirió que la fuerza de la gravedad viajaba instantáneamente a través del espacio vacÌo, propagando de una masa a otra.

NOTA: Ninguna Hipótesis
En el 'Principia' (1687), Newton afirma que existe 'un poder de gravedad que afecta a todos los cuerpos, proporcional a las varias cantidades de materia que éstas contienen". Como continua la historia, cuando Newton fue cuestionado sobre cómo este "poder de gravedad" se transmitía de un cuerpo a otro, el respondió, "Hago ninguna hipótesis".

Sin embargo, Einstein y otros científicos comenzaron a cuestionar esta conclusión alrededor del comienzo del siglo XX. En el siglo IXX, Maxwell probó que luz y energía, incluyendo electricidad y magnetismo, se propagaban a la misma taza finita en el vacÌo -- 299.792 Km/s. La teoría especial de la relatividad de Einstein concluía que esta taza era el límite para toda energía en el universo. Si la gravedad era una fuerza que se transmitía entre masas de la misma manera que la luz se propagaba a través del espacio, la fuerza de la gravedad debería estar restringida a 299.792 Km/s. Mientras que cruzar casi trescientos mil kilómetros cada segundo es extremadamente rápido, no es instantáneo.

Sólo observa la luz solar cruzando nuestro sistema solar. Luz, en la forma de fotones, sale del sol a la velocidad de la luz hacia los planetas interiores y exteriores. Estos fotones cruzan distancias enormes muy rápidamente. Pero aún a este ritmo, minutos e inclusive horas pasas antes que alcancen planetas (~8.3 minutos a la tierra; ~5.5 horas hasta Plutón).

Si la fuerza de la gravedad no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, entonces la gravedad no estaba viajando instantáneamente a través del espacio. Si la fuerza de la gravedad del sol no se transmitía instantáneamente, pero en vez tomada una cantidad finita de tiempo en alcanzar a los planetas, entonces algo estaba mal con las órbitas actuales de los planetas. En vez de seguir sus órbitas observadas, el paso de éstos planetas debería ser ligeramente diferente.

Estaba la teoría de Newton equivocada, aún cuando acordaba matemáticamente con las órbitas actuales de los planetas? O estaba equivocada la conclusión de Einstein, significando que la gravedad era diferente de otras fuerzas y podía transmitirse instantáneamente?

Einstein creía que no estaba equivocado. Aunque la teoría de Newton explicaba la órbita de los planetas, no contaba toda la historia. A través de los siguientes diez años, Einstein trabajó para hallar la respuesta a el problema de la propagación instantánea.

Observación #2 - el Principio de Equivalencia

Un segundo problema que Einstein encontró estaba relacionado al Principio de Equivalencia. Este principio nos dice que el movimiento de objetos en presencia de un campo gravitacional es equivalente al movimiento de objetos en un marco de referencia acelerado. Si se suelta un martillo en la tierra, cae a la tierra a exactamente la misma taza que si se suelta es una nave acelerada. En ambos lugares (o marcos de referencia), el martillo lastima tu pie de igual manera.

Analicemos esto un poco más. En una nave acelerando hacia arriba a 9.8 m/s^2, cualquier objeto caerá al piso a 9.8 m/s^2. En la tierra, cualquier objeto que se suelta acelerará hacia la tierra a 9.8 m/s^2. Ya que esto es cierto, crea la pregunta de porqué objetos caen en la tierra. Si los objetos están acelerando hacia abajo, en vez de "cayendo", podría ser que el suelo está acelerando hacia arriba?

La mera posibilidad que esto podría ser cierto era un problema para Einstein. Si todo movimiento parecía igual en ambos marcos de referencia (la tierra y la nave), entonces la gravedad no podría ser responsable por ambos. Un observador no podría distinguir entre gravedad y un marco de referencia acelerado, o sea que la fuerza de la gravedad no podría ser una explicación conclusiva del movimiento de caída de objetos en el universo. Qué era exactamente lo que provocaba que objetos aceleren hacia la tierra?

NOTA: El "pensamiento feliz" de Einstein - Gravedad es Aceleración
"Para un observador que cae libremente desde el techo de una casa, existe - al menos en sus inmediaciones inmediatas - ningún campo gravitacional. De hecho, si el observador suelta algunas masas, éstas permanecen a él en un estado de descanso, o movimiento uniforme...
El observador, por lo tanto, tiene el derecho de interpretar su estado como "en descanso" (aún cuando parece estar cayendo al resto de nosotros)."

Un nuevo concepto: Espacio-tiempo curvado

En 1916, Einstein arregló estas dos contradicciones (el problema de la propagación instantánea y la equivalencia de la gravedad con un marco de referencia acelerado) reconstruyendo la teoría de la gravedad. Einstein presentó un nuevo entendimiento del mundo - su teoría de la relatividad general. En esta teoría, el espacio no es algo vacÌo, sino una estructura invisible llamada espacio-tiempo. Tampoco es el espacio una malla tridimensional sobre la cual se mueve materia y energía. Es una estructura cuya forma es curvada y torcida por la presencia y movimiento de materia y energía.

Alrededor de cualquier masa (o energía), el espacio-tiempo es curvado La presencia de planetas, estrellas y galaxias deforman la estructura del espacio-tiempo como una pelota pesada deforma la superficie de una cama.

En esta imagen se ve una distorsión del espacio-tiempo en 2 dimensiones, en lugar de 4. Trata de visualizar estas depresiones en todos los lados del planeta para construir una imagen más precisa de este concepto.

Cuando una masa pequeña pasa por una más grande, toma una curva hacia la masa más grande, ya que el espacio-tiempo en sí está curvado hacia la masa más grande. La masa más pequeña simplemente sigue la estructura del espacio-tiempo curvado alrededor de la masa más grande. Por ejemplo, el sol crea una curva en el espacio-tiempo alrededor de él. Los planetas en órbita alrededor del sol no están siendo jalados hacia él; siguen el espacio-tiempo curvado deformado por el sol.

La segunda implicación: arrastre de marco

Unos cuantos años después de que Einstein creó su teoría del espacio-tiempo curvado, los físicos austriacos Joseph Lense y Hans Thirring predijeron que una masa podría deformar el espacio-tiempo de una segunda manera - mediante el arrastre de marcos (1918). Propusieron que la rotación de los planetas y estrellas o cualquier masa tuerce la estructura del espacio-tiempo cercano a la masa. No sólo es el espacio-tiempo curvado cerca al sol, está torcido por su rotación. Lense y Thirring predijeron que este efecto sería extremadamente pequeño, y se volvería cada vez menor mientras nos alejamos de la masa giratoria, pero ocurriría alrededor de toda masa que gira, sea un planeta, una estrella, una galaxia o una persona.

NOTA: espacio o espacio-tiempo?
Cuál es la diferencia entre 'espacio' y 'espacio-tiempo'? En el 'espacio', medidas de longitud y tiempo son fijas. En el 'espacio-tiempo', la longitud y tiempo son relativos , dependiendo de tu velocidad y lugar en el espacio. La longitud se contrae y el tiempo se extiende desde una perspectiva externa.

Einstein puede estar en lo cierto, pero Newton no está equivocado

A partir de esta descripción de las contradicciones encontradas en la teoría de la gravedad de Newton y el arreglo de Einstein para ellas, podría darse la impresión que la teoría de la relatividad general de Einstein reemplaza completamente a la teoría de la gravedad de Newton. Ahora que tenemos el concepto de espacio-tiempo, deberíamos deshacernos de "la fuerza de la gravedad".

Este no es el caso. Necesitamos retener ambas teorías en nuestro entendimiento del universo. La teoría de Einstein nos provee con un mejor entendimiento de la estructura del universo. Sin embargo, a menos que se observe fenómenos moviéndose cerca o a la velocidad de la luz (ondas de radio, jets cuásar, luz de estrellas) o cerca a masas enormes (estrellas de neutrones, galaxias, agujeros negros), los efectos del espacio-tiempo curvado y arrastre de marco apenas se distinguen de aquellos en la teoría de la gravedad. En nuestras experiencias comunes en la tierra, donde los fenómenos rara vez llegan a 0.0001% de la velocidad de la luz, la teoría de Newton es suficiente. Es matemáticas mucho más simple que la de el espacio-tiempo curvado, y provee una imagen funcional de nuestro mundo físico.

 

3. Principio Experimental

De acuerdo a la teoría de la relatividad general de Einstein (1916), todos los planetas y estrellas residen en una estructura invisible e intangible llamada espacio-tiempo. La tierra, como todas las masas y energías, afecta el espacio-tiempo local de dos formas. La presencia de la tierra curva el espacio-tiempo alrededor de él, y la rotación terrestre arrastra o tuerce el espacio-tiempo local alrededor de él (llamado arrastre de marco).

Cómo probar la teoría de Einstein? Cómo podemos "ver" esta estructura invisible y medir la forma y movimiento de este espacio-tiempo intangible?

En 1960, el físico Leonard Schiff de la Universidad Stanford y sus colegas discutían los posibles beneficios científicos de crear giroscopios esféricos perfectos. Con certeza este giroscopio podría mejorar la navegación de aviones, cohetes y satélites. Pero Schiff propuso algo adicional - una manera de "ver" el espacio-tiempo local.

Schiff sugirió que si ponían un giroscopio giratorio casi perfecto en espacio-tiempo alrededor de la tierra y monitoreaban la dirección de su eje de rotación, el giroscopio flotante podría mostrarles la forma y comportamiento de el marco espacio-tiempo invisible. El experimento sólo funcionaría con un giroscopio casi perfecto, ya que los efectos de la curvatura y movimiento del espacio-tiempo y serían microscópicamente pequeños.

Porqué un giroscopio? Los giroscopios, o cualquier objeto que gira, permanecen orientados en la misma dirección mientras estén girando, una propiedad llamada inercia rotacional. Un ejemplo común de esta inercia es un trompo. Se balancea sobre su eje mientras gira, pero cae cuando la fricción va bajando su velocidad de rotación. Mientras gira, su inercia rotacional hace que permanezca apuntando hacia arriba (o abajo), orientado en su dirección original.

NOTA: inercia rotacional
La resistencia que una masa muestra al tratar de alterar su velocidad de rotación mediante un torque; cualquier masa que gira continúa girando mientras ninguna fuerza externa influya sobre ella.

De la misma manera, si un trompo estuviera girando en el casi-vacío espacio, permanecería orientado constantemente en su dirección original, ya que no habría ninguna fuerza que lo frene. La tierra es un ejemplo de esto. El eje terrestre está orientado a 23.5 grados de la vertical, relativo al sol. Ha permanecido en esta dirección en parte por su inercia rotacional.

NOTA: precesión terrestre
Como todo trompo o giroscopio, el eje terrestre se mueve ligeramente mientras gira - un movimiento llamado "precesión". Cada 26000 años, el eje terrestre 'precesiona' en un circulo completo, 23.5 grados de la vertical. Mientras que la actual "estrella norte" de la tierra es Polaris, en 13000 años será Vega. Luego en 13000 más, será Polaris de nuevo.

Comparado a la tierra, los giroscopios de la sonda de gravedad B casi ni presentan precesión. Para que este experimento funcione, debe permanecer dentro de 2 diezmillonésimas de un grado de la vertical (<0.00000014" de precisión!).

Si un giroscopio esférico casi perfecto estuviera girando y flotando alrededor de la tierra en espacio-tiempo, y estuviera protegido de toda fuerza externa que podría reorientarlo (gravedad, radiación solar, fricción atmosférica, campos magnéticos, cargas eléctricas), y cualquier desbalanze interno fuera removido (forma imperfecta, densidad no-balanceada, imperfecciones en la superficie) permanecería apuntando a su dirección original. Lo único que podría alterar su orientación de rotación sería la estructura del espacio-tiempo en sí.

Si el espacio-tiempo local en el cual el giroscopio está flotando estuviera curvado o torcido, la posición del giroscopio cambiaría para seguir esta curva o torcedura. Si pudiéramos monitorear este cambio en orientación, podríamos "ver" la forma y comportamiento del espacio-tiempo! Esta es la misión de la Sonda de Gravedad B: "ver" nuestro espacio-tiempo local, y medirlo más precisamente que en cualquier experimento a través de la historia.

El plan para la misión de la Sonda de Gravedad B es el siguiente:

  1. Posicionar un satélite en órbita polar. Dentro del satélite hay 4 giroscopios (se utiliza cuatro para redundancia) y un telescopio.
  2. Apuntar el telescopio a una estrella distante (llamada "estrella guía"). Se alinea el telescopio haciendo girar el satélite, porque el telescopio está fijado dentro del satélite.
  3. Alinear los giroscopios con el telescopio de tal forma que cuando están girando, cada eje de rotación apunte también a la estrella quía.
  4. Hacer girar los giroscopios y remover toda fuerza externa (presión, calor, campo magnético, gravedad, cargas eléctricas) para que los giroscopios giren sin obstrucciones, en un vacÌo dentro del satélite y libre de toda influencia del satélite mismo.
  5. Monitorear la orientación de giro de los giroscopios por 1-2 años. Mantener el telescopio (y el satélite) fijados en la estrella guía y medir cualquier ángulo que aparezca entre la orientación del telescopio y cada eje de rotación de los giroscopios Si el espacio-tiempo local alrededor de la tierra es curvado y ocurre el arrastre de marco, los giroscopios deberían girar lentamente a través del tiempo, revelando su forma y movimiento.

 

4. Equipo y Funcionamiento

[video - equipo utilizado (Quicktime: ~3.7MB)]

Para probar la teoría de la relatividad general de Einstein, el GP-B debe medir dos ángulos minúsculos con un giroscopio flotando en el espacio. Mientras que el concepto de el GP-B es relativamente simple en diseño, la tecnología requerida para construirlo es una de las más sofisticadas en el mundo. Científicos de la Universidad de Stanford, NASA y Lockheed Martin han buscado en muchas ciencias e inventado mucha de la tecnología que hace esta misión posible. De hecho, mucha de la tecnología ni siquiera existía cuando Leonard Schiff concibió este experimento a principios de 1960.

El instrumento científico del GP-B toma la forma de un bloque rectangular largo con 4 giroscopios alineados detrás del telescopio que sale por encima del satélite. Cada giroscopio está suspendido en un ambiente de cuarzo, rodeado de una estructura metálica conectada a un SQUID para monitorear su orientación. Los giroscopios sellados se encuentran en un bloque de cuarzo sellado que está unido al telescopio sellado de cuarzo. Estos tres componentes conforman el Ensamblaje de Instrumentos Científicos (SIA).

El giroscopio más perfecto del mundo

Para medir los ángulos microscópicos que Leonard Schiff predice, el GP-B necesita un giroscopio casi perfecto -- uno que no se desvie más de una cien billonésima parte de un grado de la vertical por cada hora que gire. Este es un reto bastante difícil, dado que todos los giroscopios tienden a desviarse mientras giran. Aun los giroscopios más avanzados, hallados en misiles y aviones, se desvían en 7 órdenes de magnitud más que lo que el GP-B permite.

Qué crea un desvío en inclusive los mejores giroscopios? Tres características físicas de un giroscopio pueden hacer que su eje se desvie:

  • Un desbalanze en la masa o distribución de densidad dentro del giroscopio
  • Una superficie desigual, asimétrica en el giroscopio creando fricción con el aire
  • Fricción entre soportes del giroscopio Esto quiere decir que el giroscopio del GP-B debe ser balanceado y homogéneo por dentro, no puede tener superficies rugosas, y debe estar libre de cualquier soporte.

Luego de años de trabajo y la invención de numerosas nuevas tecnologías, este es el resultado: Una esfera homogénea de 1.5 pulgadas de cuarzo puro fundido, pulido a unas cuantas capas atómicas de perfectamente liso. Es el objeto más esférico creado, superado en esfericidad sólo por estrellas de neutrones!

Por dentro, el giroscopio es cuarzo sólido. Fue tallado de un bloque de cuarzo puro del Brasil y hecho en Alemania. Sus partes interiores son idénticas a 2 partes en un millón (eso es como tener 999998 niños idénticos de 1000000 personas).

En la superficie, el giroscopio es menos de 3 diez millonésimas de una pulgada de perfectamente esférico. Esto significa que cada punto en la superficie del giroscopio está a exactamente la misma distancia del centro con un error de 0.0000003 pulgadas.

Finalmente, el giroscopio esta libre de todo soporte, levitando en un ambiente de cuarzo. Seis electrodos espaciados idénticamente al interior del ambiente mantienen al giroscopio flotando en el centro. Una breve corriente de gas helio hace girar al giroscopio a 10000 rpm. Después de eso, el giroscopio gira en el vacÌo, apenas a 1 milímetro de sus paredes, libre de toda interferencia.

El momento London y SQUID: leyendo lo ilegible

El giroscopio del GP-B es casi perfecto esférica y homogéneamente. Mientras que esto asegura que el giroscopio gira con estabilidad casi perfecta, su "casi perfectitud" crea un gran reto -- los científicos no pueden marcar el giroscopio para ver exactamente en cuál dirección está su eje de rotación.

El "eje de rotación" es una línea que corre por los dos polos del giroscopio giratorio, como el eje de la tierra pasa por los polos norte y sur. El eje de rotación nos dice en qué dirección está apuntada una esfera. EL GP-B debe monitorear el eje de rotación de los giroscopios constantemente por 1-2 años. El problema con el giroscopio casi perfecto del GP-B es que no puede ser marcado de ninguna manera, o sea que el eje de rotación es invisible.

Para poder observar la forma y movimiento del espacio-tiempo local con precisión, los científicos deben poder leer la orientación del eje de rotación dentro de 0.5 mili arco segundos, y tener los polos del giroscopio dentro de una billonésima de pulgada.

Cómo se puede monitorear la orientación del eje de rotación de este giroscopio casi perfecto sin una marca física mostrando dónde se encuentra el eje de rotación en el giroscopio? Qué podría percibir su orientación sin interferir con su rotación? La respuesta viene de un fenómeno cuántico único llamado el "momento London".

Fritz London, un científico físico, estaba experimentando a comienzos de 1900 con metales con una propiedad única llamada "superconductividad". Esta es una propiedad de sólo algunos metales y aleaciones en el cual el metal (o aleación) conduce electricidad sin resistencia. Cuando electricidad para por metales, como alambres de cobre, a temperatura ambiente, siempre se presenta una resistencia a los electrones fluyendo por el metal. Sin embargo, algunos metales pueden conducir electricidad sin resistencia, y son llamados "metales superconductores". Metales puros deben ser enfriados dramáticamente, reduciendo su temperatura a casi el cero absoluto (0 Kelvin, -273º C, -549º F), para que ésta propiedad se presente, mientras que algunas aleaciones se vuelven superconductoras a temperaturas moderadamente frescas.

London descubrió algo impresionante sobre estos metales superconductores; descubrió que cuando una esfera superconductora gira (o una esfera cubierta de un metal superconductor gira), crea un campo magnético alrededor de sí mismo.

En la superficie del metal giratorio, los electrones se quedan atrás de los átomos cargados positivamente del metal, creando un pequeña diferencia de campo. Esta diferencia genera un campo magnético. Lo que es aún más impresionante de este fenómeno (afortunadamente para el GP-B) es que el eje de este campo magnético se alinea exactamente con el eje físico del metal giratorio.

Esta era la "ayuda" que el GP-B necesitaba. Científicos recubrieron cada giroscopio con una fina capa de un metal superconductor, llamado niobium. (1270 nanometros de espesor). Cuando cada giroscopio recubierto de niobium gira, un pequeño campo magnético rodea al giroscopio Como Fritz London descubrió, el eje de cada campo magnético se alineaba perfectamente con el eje de rotación en cada giroscopio Monitoreando este eje del campo magnético, el GP-B sabe precisamente en cuál dirección el eje de rotación del giroscopio está.

Este campo magnético es monitoreado por un pequeño aparato llamado SQUID (Superconducting QUantum Interference Device). El SQUID, del tamaña de una goma de macar, está fuera del ambiente del giroscopio y conectado dentro el ambiente de cuarzo. Cuando el giroscopio se desvie, el campo magnético creado por el momento London se desvía junto con el, pasando por un anillo superconductor. El SQUID detecta este cambio en la orientación del campo magnético. El SQUID es tan sensible que un campo de 5 x 10E-14 (1/10,000,000,000,000 del campo magnético terrestre), correspondiente a un desvío en el giroscopio de 0.1 miliarcosegundos, es detectable en pocos días.

Usando el momento London para monitorear la orientación del giroscopio fue algo excelente para el GP-B: extremadamente sensible, aplicable a una esfera perfecta, y - lo más importante - no ejerce ninguna fuerza de reacción sobre el giroscopio

El telescopio: siguiendo la estrella guía

Durante la misión, se espera que el eje de rotación de cada giroscopio se mueva según la curvatura y torcedura del espacio-tiempo local. La única manera en que podemos ver este movimiento es comparando cada eje de rotación a una línea fija de referencia. En esta misión, la línea fija de referencia es la línea entre el telescopio y nuestra estrella guía, IM Pegasi. El telescopio debe permanecer fijado en el centro exacto de la estrella guía (dentro de un miliarcosegundo) a través de la misión, o el GP-B perderá su única línea de referencia crítica.

Enfocar el centro exacto de una estrella no sería tan difícil si fueran puntos fijos de luz como parecen a simple vista. Sin embargo, la IM Pegasi, como muchas estrellas, deambula con el cielo, siguiendo un patrón parecido a una espiral en vez de un trayecto lineal, y su luz difracta, o se esparce, mientras viaja a través del universo a nuestro telescopio.

NOTA: IM Pegasi -- HR8703
IM Pegasi (~300 años luz) significa "de o en Pegaso (Pegasus)", que es una constelación fácilmente visible en noches de otoño en Norte América, Europa y Asia.
La estrella guía es parte de un sistema binario estelar, como 46% de las estrellas en nuestro universo. El sistema binario estelar consiste de dos estrellas orbitando una junto a la otra.
En el caso de la IM Pegasi, una estrella más pequeña órbita alrededor de la estrella mayor en tamaño, sobre la cuál el GP-B se enfoca. La estrella pequeña crea cierto movimiento en la estrella grande, ya que la 'jala' de lado a lado mientras órbita. Este es otro movimiento que el GP-B debe tomar en cuenta cuando se enfoca en el centro exacto de la estrella grande.

El movimiento de la estrella alrededor del cielo es monitoreado por un sofisticado sistema de radio-telescopios operando en conjunto con otros, llamado VLBI (Very Long Base Interferometer). Telescopios desde Nueva México a Australia y Alemania se enfocan en nuestra estrella guía y detalla su movimiento como si un solo disco telescópico del tamaño de la tierra estuviera enfocado en la estrella. Los movimientos de la estrella guía son comparados a un cu·sar distante. Los cuasares son masas extremadamente grandes que residen en los rincones del universo, muy lejos de la estrella guía. Por su distancia y tamaño, parecen estar excepcionalmente quietos con respecto a otras estrellas en el cielo, y proveen un punto de referencia invaluable para el VLBI.

Luz estelar difractada

La difracción ocurre cuando los fotones en un rayo de luz se esparcen mientras viajan por el espacio. La luz de IM Pegasi se esparce en un diámetro de 1400 miliarcosegundos. El GP-B debe encontrar el centro exacto de la estrella guía dentro de un miliarcosegundo. Científicos resolvieron este problema en dos maneras: construir un telescopio increíblemente estable que este libre de cualquier interferencia gravitacional, y mandar la luz estelar a través de un IDA (Image Divider Assembly) súper sensible dentro del telescopio.

El telescopio en sí es un bloque de 14 pulgadas (35.56 cm) de cuarzo, idéntico al cuarzo utilizado para los giroscopios. Sus espejos están exquisitamente pulidos y sus componentes estás conectados a través de un proceso llamado "adherencia molecular". En este proceso, la superficie de cada componente es pulido a tal punto que las moléculas de cada superficie se "pegan" una a otra usando la misma atracción eléctrica que ocurre a un nivel molecular.

Muchos telescopios son capaces de hallar el centro exacto de una estrella enfocándose en la luz estelar en un solo sensor. El sensor lee cuánta luz llega a cada mitad de este. El alineamiento del telescopio es ajustado hasta que cada mitad del sensor reciba exactamente la mitad de la luz estelar recibida.

Desafortunadamente, este método no es lo suficientemente preciso para el GP-B. Ningún sensor es lo suficientemente pequeño o sensible para dividir el pequeño monto de luz estelar que el GP-B recibe, y apuntar el telescopio dentro de un miliarcosegundo. O sea que se creó un IDA y se lo posicionó al final del telescopio. La luz estelar entra al IDA luego de haber sido enfocado por 3 espejos en el telescopio. El rayo es primeramente dividido, difractando mitad de la luz estelar, y permitiendo que la otra mitad siga su trayecto. EL rayo difractado alinea el telescopio en el eje Y. El rayo que continua alinea el telescopio en el eje X.

Cada rayo luego llega a un techo de prisma (un prisma con una punta apuntada a la luz), el cual divide la imagen en dos. Cada parte de la imagen dividida es direccionada hacia su propio sensor en el paquete detector y las lecturas eléctricas son comparadas. Cuando el telescopio está apuntado exactamente al centro de la estrella (dentro de un miliarcosegundo(, el flujo eléctrico (cantidad de señal) de cada sensor es idéntico. Si no son idénticos, el satélite mueve el telescopio para ajustar su mira, de tal forma que cuando la luz estelar llegue al techo de prisma, cada mitad del rayo difractado llegue a cada sensor.

Ambiente libre de fuerza

El instrumento científico del GP-B (4 giroscopios. en sus ambientes, en un bloque de cuarzo unido al telescopio) está diseñado para hacer medidas increíblemente precisas de la forma y comportamiento del espacio-tiempo local alrededor de la tierra. SIn embargo, este instrumento opera adecuadamente sólo si está protegido de toda fuerza externa. La menor cantidad de presión o calor, la influencia de un campo magnético, cualquier tipo de aceleración gravitacional, o la más pequeña turbulencia atmosférica destruirían la precisiÛn de este instrumento. Para que el GP-B sea exitoso, el instrumento debe estar en un ambiente casi-cero.

EL GP-B requiere de un ambiente frío por dos razones. Primero, todos los componentes de cuarzo deben estar constantemente fríos para incrementar su estabilidad molecular. Cambios en la temperatura podría causar que los componentes se expandan, y expandir diferencialmente. Los giroscopios. podrían ser desbalanceados, el telescopio podría estar desalineado o fuera de foco, o todo el instrumento científico podría cambiar.

Segundo, el GP-B depende del fenómeno del momento London para monitorear la orientación de los giroscopios. El momento London funciona sólo con metales superconductores. Metales puros, como el niobium, se vuelven superconductores sólo cuando estás en la vecindad del cero absoluto (0 Kelvin, -273º C). Por esto, el revestimiento de niobium en los giroscopios. debe permanecer frío para producir el momento London.

Para asegurar que los componentes de cuarzo sean estables y que se genere el momento London, el instrumento científico del GP-B será enfriado a una temperatura de 1.8 Kelvin, o 271.2 grados Celsius bajo cero.

Cómo crear un ambiente frío, y mantenerlo así por 1-2 años? Crear un ambiente frío en un satélite no es tan difícil, dado que el espacio es frío de por sí. La temperatura promedio del espacio está alrededor de 2.76 Kelvin, o sea que provee su propia refrigeración.

Sin embargo, mantener el ambiente del satélite frío por un período de tiempo extendido es un reto mayor. EL GP-B puede estar frío cuando pase por la sombra de la tierra, pero cuando órbita por luz solar su temperatura aumenta dramáticamente. Las fluctuaciones de temperatura de un lado de la tierra al otro son inaceptables para que el instrumento científico del GP-B funcione correctamente.

Para mantener este ambiente congelado de 1.8 K, se diseñó un termo o 'frasco de Dewar' en el cual el instrumento científico reside. Este recipiente de 9 pies (274.32 cm) rodea el instrumento científico con 608 galones (2301.53 litros) de helio líquido (el gas helio se vuelve líquido a temperaturas menores a 4.2 K).

El sistema tiene varios sistemas diseñados para limitar cualquier cambio en la temperatura del helio o del instrumento científico, incluyendo insulación de varias capas (múltiples superficies reflexivas el el vacío del espacio para cortar la radiación del sol), escudos enfriados por vapor (barreras metálicas, propiamente espaciados, enfriados por el gas helio que escapa), y PODS (Passive Orbital Disconnect Struts - soportes de lanzamiento rígido, inventado por Lockheed, que dan soporte más suelto con menos flujo de calor).

A pesar de los esfuerzos de estos sistemas, el helio líquido se irá inevitablemente calentando, y eventualmente hervirá. Un poco de helio líquido se convertirá a gas, el gas relativamente más caliente calentará el líquido que queda. El helio líquido cambiará a estado gaseoso más y más rápidamente, acortando el tiempo en que el instrumento científico del GP-B sea preciso.

Para desacelerar este proceso de calentamiento, un "enchufe poroso" se inventó en Stanford y modificado para el espacio por la NASA y JPL (Jet Propulsion Lab). El enchufe poroso permite que el helio en forma de gas escape mientras el líquido permanece adentro, reduciendo la exposición del helio líquido al gas relativamente más caliente, manteniendo el líquido frío por más tiempo. Con el enchufe poroso, la temperatura del recipiente permanece más uniforme, inestabilidades de burbujas desaparecen, y el helio dura más. El GP-B creará un ambiente frío por un periodo mucho más largo que cualquier otro satélite antes de él.

Dentro del recipiente, dos otros sistemas ayudan a mantener un ambiente casi-cero para el instrumento científico.

El sistema de "evacuación de presión" permite a los giroscopios. girar en un vacío casi perfecto, asegurando que la fricción con el aire sea no-existente. Los giroscopios. giran a ~10000 rpm, a un milímetro de las paredes interiores de su ambiente de cuarzo. Después del lanzamiento, cada ambiente es evacuado a menos de 10E-11 Torr.

El sistema de "bolsas de plomo" proteje a los giroscopios. y al momento London de la interferencia de campos magnéticos. Dentro del recipiente, cuatro "bolsas" de plomo superconductoras rodean el instrumento científico. Uno a la vez, cada bolsa de plomo fue colocada alado de otra y se las expandió gradualmente. Expandiendo las bolsas y usando 4 capas de protección, la posible interferencia de campos magnéticos ha sido reducida a menos de 10E-14 gauss.

Parecería que el satélite esta 'cargando' los giroscopios. alrededor de la tierra en una órbita polar. De hecho, uno de los giroscopios. está en una órbita de caída libre alrededor de la tierra. Este giroscopio actúa como una "masa de prueba", describiendo una órbita gravitacional casi perfecta. El satélite sigue el paso orbital de este giroscopio, y se encuentra con el reto de encerrarlo sin tocarlo o interferir con el. Dado que el giroscopio gira apenas a un milímetro de su pared, el satélite tiene un margen de error muy pequeño.

De gran manera, el satélite permanece en su curso siguiendo la misma órbita de libre caída. Sin embargo, fuera del satélite, dos factores pueden alterar su paso. La radiación solar que llega es suficiente para mover al satélite, y fricción de los gases atmosféricos pueden frenar al satélite.

El GP-B necesita impulsores extremadamente sensibles para reorientarlo y mantenerlo en su paso destinado. Aquí es donde el gas helio entra en acción. Pequeñas cantidades de gas, 1/10ma de un aliento humano o unos cuantos milinewtons de fuerza, proveen justo el monto necesario de impulso necesario para ajustar su posición. La fuerza del gas helio que escapa provee suficiente fuerza para mantener al GP-B en su posición precisa (dentro de 10 miliarcosegundos de una órbita terrestre perfecta, apuntando al centro exacto de la estrella guía dentro de 1 miliarcosegundo).

NOTA: Porqué órbita baja?
Porqué el GP-B Ûrbita tan cerca a la atmósfera terrestre? Inclusive al borde de la atmósfera terrestre, las moléculas individuales y átomos de la atmósfera crean demasiada fricción para que el satélite siga su órbita precisa. Porqué no orbitar más lejos de la tierra, fuera de la atmósfera?
La razón es que los efectos de el espacio-tiempo local (su curva y torque) se debilitan dramáticamente mientras nos alejamos de la tierra. Se eligió una órbita que pusiera al GP-B lo más cerca a la tierra como sea posible, para ver los efectos del espacio-tiempo más claramente. Una altitud de 400 millas fue lo más cercano que el GP-B puede acercarse con un monto tolerable de fricción atmosférica.

5. Resultados Esperados y Conclusiones

De acuerdo a los cálculos de Schiff, con los giroscopios. y satélite en una órbita de 400 millas (aprox. 640 Km) alrededor de la tierra, la orientación inicial debería variar en 6.6 arcosegundos verticalmente (eje X) debido a su órbita a través del espacio-tiempo curvado local y 42 miliarcosegundos horizontalmente (eje Y) debido a el efecto arrastre de marco. En otras palabras, el GP-B usará giroscopios. y un telescopio en órbita alrededor de la tierra para medir dos ángulos microscópicos, cada uno una pequeñísima parte de un grado.

[video - giros esperados (Quicktime: ~3.7MB)]

El reto central del GP-B es construir un giroscopio, telescopio y satélite que puedan medir estos dos pequeños ángulos de manera precisa. Ya que estos dos ángulos son tan pequeños, el GP-B tiene un margen de error muy pequeño. El telescopio debe apuntar al punto exacto del centro de la estrella guía con un miliarcosegundo de precisión. El GP-B debe conocer la orientación de los giroscopios. a la mitad de un miliarcosegundo (0.0005 arcosegundos)!

Estos ángulos son casi muy pequeños para comprender. Sabemos que las esquinas en calles hacen 90 grados, que la diagonal de un cuadrado forma 45 grados. Una rampa a un edificio generalmente está entre 5-10 grados. Caminar en terreno a uno o dos grados en prácticamente nada - se siente como caminar en suelo plano.

Sin embargo, un ángulo de un grado es como subir al monte Everest comparado a los ángulos que el GP-B trata de medir. El "ángulo de curvatura", 6.6 arcosegundos, se levanta menos de 2 milésimas de un grado. Y el "ángulo de arrastre de marco", e cual es 42 miliarcosegundos, es 150 veces más pequeño, levantándose apenas 0.000012 grados. Si se camina por un plano a 42 miliarcosegundos por 160 Km, al final del trayecto estarías sólo una pulgada más arriba que antes.

Otra forma de ver qué tan pequeño es el ángulo es poner un lápiz sobre otro perpendicularmente. Mira el ángulo que forman los dos. Este ángulo es pequeño, mas o menos 3 grados. Para imaginar cuán pequeño 42 miliarcosegundos es, divide este ángulo en 250000 pedazos. El GP-B debe medir este ángulo con una precisiÛn de 0.5 miliarcosegundos - un ángulo 20000000 veces más pequeño que el ángulo entre los dos lápices!

Preguntas conclusivas

El GP-B verificará o rechazará a Einstein?

Los resultados del GP-B verificarán la teoría de Einstein sobre el espacio-tiempo curvado y arrastre de marco, o será esta teoría rechazada? Si lo anterior se prueba verdadero, entonces habremos realizado la medición más precisa de la forma del espacio-tiempo local, y confirmado a un mayor grado la matemática de la teoría de la relatividad general de Einstein. Si no se prueba verdadero, entonces nos veremos enfrentados con el reto de construir una nueva teoría sobre la estructura del universo y el movimiento de la materia.

El GP-B revelará de dónde viene la "inercia"?

Uno de los conceptos fundamentales de nuestro mundo físico es que todo objeto en reposo o en movimiento tiene inercia, o una tendencia a seguir haciendo lo que sea que está haciendo. Pero de dónde viene esta tendencia o propiedad? Viene de la materia misma? O está relacionada a los fundamentos del universo?

El físico Ernst Mach propuso que la propiedad de la inercia viene del movimiento de la materia en el universo distante. La razón por la que un objeto resiste cambios en su movimiento es porque está conectado al movimiento de toda la otra materia en el universo. Es una interacción gravitacional que crea la propiedad de la inercia.

La investigación del GP-B sobre el arrastre de marco contribuirá a esta pregunta, porque para que la materia distante afecte materia local, tiene que haber un vínculo gravitacional entre los dos. La teoría de Einstein sobre la geometría del espacio-tiempo y los efectos del arrastre de marco podrían explicar este vínculo.

El GP-B es uno de los experimentos físicos más sofisticados hasta ahora. Ha estado siendo diseñado por 4 décadas y combina los esfuerzos de docenas de científicos e ingenieros en la Universidad de Stanford, Lockheed Martin Aerospace, NASA's Marshall Space Flight Center y científicos VLBI, entre muchos otros. Ha desarrollado muchos avances en tecnología de navegación y precisiÛn material. Lo más importante, nos dará un vistazo a la estructura sublime de nuestro universo.

6. Experimentos y Aprendizaje

Pronto...

 

Para información actualizada visita http://www.gravityprobeb.com/

 

 

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