La NASA anuncia resultados de un grandioso experimento sobre el espacio-tiempo
http://ciencia.nasa.gov/ciencias-especiales/04may_epic
Mayo 4, 2011: Einstein tuvo razón de nuevo. En efecto, existe un vórtice en el espacio–tiempo alrededor de la Tierra y su forma coincide precisamente con las predicciones de la teoría de la gravitación de Einstein.
Estos hechos fueron confirmados por investigadores en una conferencia de prensa que tuvo lugar en la base de operaciones de la NASA, en la cual anunciaron los muy esperados resultados del satélite Gravity Probe B (Sonda de Gravedad B, en idioma español), o GP–B, por su sigla en idioma inglés.
"El espacio–tiempo alrededor de la Tierra está siendo distorsionado exactamente como lo predice la relatividad general", dice el físico Francis Everitt, de la Universidad de Stanford, quien es investigador principal de la misión Gravity Probe B.
Concepto artístico de la sonda GP–B midiendo el espacio–tiempo curvo alrededor de la Tierra. [Más información].
"Este es un resultado grandioso", agrega Clifford Will, de la Universidad de Washington, en St. Louis. Experto en las teorías de Einstein, Will preside un panel independiente del Consejo Nacional de Investigaciones, el cual fue creado por la NASA en 1998 con el fin de monitorizar y revisar los resultados de la Gravity Probe B. "Algún día", predice, "esto formará parte de los libros de texto como uno de los experimentos clásicos en la historia de la física".
El tiempo y el espacio, según las teorías de la relatividad de Einstein, están entrelazados y forman un tejido de cuatro dimensiones que llamamos "espacio–tiempo". La masa de la Tierra crea una hendidura en este tejido, similar a lo que sucede cuando una persona pesada se sienta en el centro de una cama elástica. Según Einstein, la gravedad es simplemente el movimiento de los objetos que siguen las líneas curvas de la hendidura.
Si la Tierra se mantuviese estacionaria, ese sería el final de la historia. Pero la Tierra no se mantiene estacionaria. Nuestro planeta gira en torno a sí mismo, y ese giro debería torcer levemente la hendidura, jalándola hasta formar un remolino en cuatro dimensiones. Esto es lo que GP–B fue a investigar en 2004.
La idea que hay detrás del experimento es sencilla:
Colocar un giroscopio en órbita alrededor de la Tierra, con el eje de giro apuntando hacia alguna estrella distante, para que sirva como punto de referencia fijo. Debido a que está libre de fuerzas externas, el eje del giroscopio debería continuar apuntando hacia la estrella por siempre. Pero si el espacio está torcido, la dirección en la que apunta el eje del giroscopio debería cambiar con el paso del tiempo. Al registrar este cambio de dirección relativo a la estrella, sería posible medir las torceduras del espacio–tiempo.
Sin embargo, en la práctica, el experimento es absolutamente difícil de realizar.
Uno de los giroscopios super esféricos de la Gravity Probe B. [Más información]
Los cuatro giroscopios que se encuentran ubicados a bordo de la GP–B son las esferas más perfectas creadas por el hombre. Estas esferas de cuarzo y silicio fundidos miden 3,8 centímetros (1,5 pulgadas) de diámetro (el tamaño de una pelota de ping-pong) y nunca se desvían de ser esferas perfectas en más de 40 capas de átomos. Si los giroscopios no fuesen tan esféricos, sus ejes de giro se tambalearían incluso sin la intervención de los efectos de la relatividad.
Según ciertos cálculos, la torsión del espacio–tiempo alrededor de la Tierra debería hacer que los ejes de los giroscopios cambien apenas 0,041 segundos de arco al año. Un segundo de arco es la 1/3600va parte de un grado. Para poder medir este ángulo correctamente, la GP–B necesitaba contar con una fantástica precisión de 0,0005 segundos de arco. Esto es tan difícil como medir el grosor de una hoja de papel vista de costado desde una distancia de casi 161 kilómetros (100 millas).
"Los investigadores a cargo de la GP–B tuvieron que inventar tecnologías completamente nuevas para hacer que esto sea posible", agrega Will.
Ellos desarrollaron un satélite "libre de arrastre" que pudiese rozar las capas externas de la atmósfera de la Tierra sin perturbar a los giroscopios. Resolvieron el problema de impedir que el campo magnético de la Tierra penetre en el interior de la nave. Asimismo, inventaron un aparato capaz de medir el giro de un giroscopio sin tocarlo. Si desea obtener más información acerca de estas tecnologías, puede consultar la historia de Ciencia@NASA: "Un rincón donde todo es (casi) perfecto".
Realizar el experimento era un desafío excepcional. Pero después de un año de captura de datos y de casi cinco años de análisis, los investigadores de la GP–B parecen haberlo conseguido.
"Medimos una precesión geodésica de 6,600 más o menos 0,017 segundos de arco y un efecto de arrastre de marco de 0,039 más o menos 0,007 segundos de arco", informa Everitt.
Para los lectores que no son expertos en relatividad: La precesión geodésica es el bamboleo producido por la masa estática de la Tierra (la hendidura en el espacio-tiempo) y el efecto de arrastre de marco es el bamboleo debido al giro de la Tierra (la torcedura del espacio–tiempo). Ambos valores coinciden precisamente con las predicciones de Einstein.
"En la opinión del comité que presido, este esfuerzo fue verdaderamente heroico. Nos hemos quedado boquiabiertos", dice Will.
Concepto artístico del espacio–tiempo alrededor de un agujero negro. Crédito de la imagen: Joe Bergeron, de la revista Sky & Telescope.
Los resultados de la Gravity Probe B han dado a los físicos una renovada confianza en que las extrañas predicciones de la teoría de Einstein son, en verdad, correctas, y en que estas predicciones pueden por lo tanto ser aplicadas en otros casos. El tipo de vórtice de espacio–tiempo que existe alrededor de la Tierra es duplicado y ampliado en otros lugares del cosmos, como por ejemplo alrededor de masivas estrellas de neutrones, agujeros negros y núcleos activos de galaxias.
"Si uno intentara hacer girar un giroscopio en la severamente torcida región del espacio–tiempo alrededor de un agujero negro", dice Will, "no realizaría una precesión suavemente por una fracción de un grado. Se tambalearía de manera violenta e incluso podría voltearse".
En sistemas binarios de agujeros negros, esto es, donde un agujero negro orbita a otro, los agujeros negros mismos se encuentran girando y por lo tanto se comportan como giroscopios. ¡Imagínese un sistema de agujeros negros orbitándose mutuamente, tambaleándose de manera continua e incluso volteándose! Ese es el tipo de cosas que la relatividad general predice y que la GP–B confirma que en verdad pueden ocurrir.
El legado científico de la GP-B no se limita a la relatividad general. El proyecto también tocó la vida de cientos de científicos jóvenes:
"Debido a que el proyecto fue dirigido por una universidad, muchos estudiantes pudieron participar en él", dice Everitt. "Más de 86 tesis doctorales de Stanford y 14 de otras universidades fueron concedidas a estudiantes que trabajaron en el proyecto de la GP–B. También participaron varios cientos de estudiantes universitarios y 55 estudiantes de escuela secundaria e incluso la astronauta Sally Ride y el físico Eric Cornell, quien ganaría el premio Nobel".
El financiamiento de la NASA para la Gravity Probe B comenzó en el otoño de 1963. Eso quiere decir que Everitt y sus colegas han estado planeando, promocionando, construyendo, operando y analizando datos del experimento durante más de 47 años. Sin duda, es un esfuerzo descomunal.
¿Qué sigue?
Everitt recuerda un consejo que le dio su asesor de tesis Patrick M.S. Blackett, quien obtuvo el premio Nobel: "Si no puedes pensar en qué física investigar después, inventa una nueva tecnología y eso te llevará a una nueva física".
"Pues", dice Everitt, "inventamos 13 nuevas tecnologías para la Gravity Probe B. ¿Quién sabe a dónde nos llevarán?"
Después de todo, este podría ser sólo el comienzo de esta epopeya
