El satélite Disco Ball someterá la teoría de Einstein a la prueba más dura hasta el momento

La superficie del LARES-2 está cubierta con cientos de reflectores que reflejarán pulsos láser transmitidos por una red global de estaciones de alcance láser.Crédito: CNES / ESA / Arianespace / Optique Vidéo CSG / P. Boudon

Un satélite recién lanzado tiene como objetivo medir cómo la rotación de la Tierra tira de la estructura del espacio-tiempo a su alrededor, un efecto de la teoría general de la relatividad de Einstein, con una precisión diez veces mayor que nunca.

El Satélite Relativista Láser 2 (LARES-2) fue lanzado desde un puerto espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA) en Kourou, Guayana Francesa, el 13 de julio. Fue construido por la Agencia Espacial Italiana (ASI) a un costo de unos 10 millones de euros (10,2 millones de dólares) y despegó en el primer vuelo de una versión mejorada del cohete europeo Vega, llamado Vega C.

El desempeño del cohete fue «sorprendente», dice el líder de la misión Ignacio Ciofolini, físico de la Universidad de Salento en Lecce, Italia. «La Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial de los Estados Unidos pusieron el satélite en órbita con una precisión de solo 400 metros». Este posicionamiento preciso ayudará a mejorar la calidad de las mediciones de los investigadores, añade Siofolini.

«Creo que este es un gran paso adelante para medir este efecto», dice Clifford Weil, físico teórico de la Universidad de Florida en Gainesville.

campo reflexivo

La estructura del LARES-2 es muy simple: es una bola de metal cubierta con reflectores 303, sin electrónica ni control de navegación. El diseño similar a una bola de discoteca es similar al de su predecesor LARES, otro experimento de relatividad general lanzado en 2012, y una sonda llamada LAGEOS desplegada por la NASA en la década de 1970, principalmente para estudiar la gravedad de la Tierra. (Laris, pronunciado LAY-reez, eran deidades en la religión pagana de la antigua Roma).

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LARES-2 empaqueta aproximadamente 295 kilogramos de material en una bola de menos de 50 centímetros de diámetro. Su densidad reduce los efectos de fenómenos como la presión de radiación de la luz solar o las nubes débiles de la atmósfera terrestre a grandes alturas, dice el ingeniero aeronáutico Antonio Polozzi de la Universidad Sapienza en Roma. Después de experimentar con materiales personalizados de alta densidad, el equipo seleccionó una aleación de níquel lista para usar. Esta intensidad fue aceptable y permitió que LARES-2 calificara para su primer vuelo Vega C sin costosas pruebas de certificación de vuelo.

Usando una red global existente de estaciones de telémetro láser, Ciufolini y sus colegas planean rastrear la órbita de LARES-2 durante varios años. Este tipo de sensor puede seguir proporcionando datos durante décadas. «Puedes simplemente sentarte y enviarle rayos láser», dice Will. «En términos de costo, eso es algo barato y bueno».

De acuerdo con la gravedad newtoniana, un objeto que orbita alrededor de un planeta perfectamente esférico debería continuar siguiendo la misma elipse, eón tras eón. Pero en 1913, Albert Einstein y su colaborador Michel Besso utilizaron una versión preliminar de la relatividad general para sugerir que si un planeta así estuviera rotando, debería causar que la órbita del satélite cambiara ligeramente. Las matemáticas exactas del efecto fueron calculadas en 1918 por los físicos austriacos Joseph Lins y Hans Thiering. Cálculos recientes predicen que el efecto Lense-Thirring, una especie de «arrastre de cuadro» relativista, debería hacer que el plano de la órbita se mueva, o gire, alrededor del eje de la Tierra, en 8,6 millonésimas de grado por año.

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En términos prácticos, la Tierra en sí no es una esfera perfecta, sino «en forma de patata», dice Siovolini. Las irregularidades resultantes en el campo gravitatorio de la Tierra, las mismas cosas para las que LAGEOS está diseñado para medir, agregan un movimiento orbital adicional que puede hacer que el efecto relativista sea más difícil de medir. Pero al comparar las órbitas de dos satélites, estas irregularidades pueden cancelarse.

Lanzamiento del lanzador CSG Vega-C VV21

LARES-2 fue lanzado el 13 de julio a bordo de un cohete Vega C.Crédito: CNES / ESA / Arianespace / Optique Vidéo CSG / S. Martin

Ciufolini, quien ha trabajado en el concepto de misión LARES desde su tesis doctoral en 1984, aplicó por primera vez este principio en 2004.1 a mi Medición de arrastre de fotogramas a partir de la comparación de órbitas de LAGEOS y LAGEOS-2 (una sonda similar lanzada por ASI). Él y su coautor Erikus Pavlis, de la Universidad de Maryland en College Park, afirmaron haber logrado el efecto con una precisión del 10 %.

Aunque el resultado aún era aproximado, el equipo pudo hacerse con un experimento de la NASA de $ 800 millones que estaba destinado a medir la resistencia de los neumáticos con una técnica diferente. La altamente compleja misión Gravitational Probe B, lanzada en 2004, mide los cambios no en la trayectoria orbital de la nave espacial sino en la inclinación de cuatro campos giratorios, cambiando una fracción de grado por año. Una complicación inesperada hizo que Gravity Probe B solo pudiera lograr una precisión del 20 %, lejos de su objetivo inicial del 1 %.2.

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restricciones de lanzamiento

Posteriormente, Ciufolini y su equipo refinaron sus resultados anteriores con una precisión del 2% utilizando LARES, la primera sonda diseñada explícitamente para este tipo de experimento.3. Pero las limitaciones del vehículo de lanzamiento -el antiguo misil Vega- hacen que LARES solo pueda alcanzar una altitud de 1.450 km. LARES-2 ahora tiene 5900 km de largo, ya que la irregularidad del campo gravitatorio de la Tierra se reduce, pero el efecto de arrastre de los neumáticos sigue siendo fuerte.

La misión tiene como objetivo una precisión del 0,2%, y la inyección microorbital debería hacer que ese objetivo esté al alcance, dice Ciufolini. Agrega que esto podría permitirle al equipo ver si la relatividad general supera las teorías alternativas del espacio-tiempo.

Thibault Damour, físico teórico del Instituto de Estudios Científicos Avanzados (IHES) cerca de París, elogia el bajo costo del experimento. “Si uno encuentra una desviación, [from the theoretical prediction] “Este será un hallazgo importante”, dice Damour, pero agrega que ha habido pruebas más rigurosas de la relatividad general en el espacio. La misión Cassini de la NASA a Saturno midió un efecto diferente de la teoría con una precisión de aproximadamente una parte en 10.000.4.

A pesar de la debilidad alrededor de la Tierra, los efectos de la extracción de marcos se vuelven masivos cuando dos agujeros negros giran en espiral y se fusionan. Es posible que los observatorios de ondas gravitacionales ya hayan comenzado a detectar tales efectos en las órbitas terminales de algunos pares de agujeros negros: a partir de la forma de las ondas, pueden calcular ¿Qué tan rápido avanza el agujero negro más ligero?y qué tan rápido gira el agujero negro más pesado. Con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, dice Siovolini, comprender el arrastre del marco «se ha vuelto fundamental para la astrofísica».

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