La investigación inconclusa para solucionar la anomalía de las Pioneer

La investigación inconclusa para solucionar la anomalía de las Pioneer

Por :Mauricio Peña

¡Ayude a descubrir el misterio de la anomalía de las Pioneer!

Por John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Michael Martin Nieto y Slava G. Turyshev

The Planetary Society se ha comprometido a reunir los fondos para preservar los invaluables datos de la sonda Pioneer y evitar su destrucción. Luego de años de análisis, pero sin ninguna conclusión final, NASA, sorprendentemente, se rindió en su intento por resolver la 'anomalía Pioneer' y retiró los fondos para analizar la información. Los datos de la Pioneer se encuentran en unos cientos de antiguas cintas magnéticas de 7 y 9 pistas, las cuales sólo pueden ser leídas en 'antiguos' computadores. ¡La agencia va a desechar, literalmente demoler en los siguientes meses, los únicos computadores capaces de acceder y procesar esos datos. A menos que actuemos ahora, una extraordinaria oportunidad, única en la vida va a perderse. Ayude a salvar los datos de la 'anomalía Pioneer' y resolver este misterio haciendo una donación a The Planetary Society. Nota de Astroseti: si desea colaborar económicamente con el proyecto de The Planetary Society, puede hacerlo visitando la página original de Planetary Society.

10 de Mayo de 2005

Comenzó con la búsqueda del Planeta X. Para 1979, la sonda Pioneer 10 había completado su misión original de convertirse en la primera nave construida en la Tierra que explorara Júpiter y se encontraba en su camino hacia fuera de nuestro sistema solar, volando hacia la estrella Aldebarán - un destino que debería alcanzar en unos dos millones de años.

En su salida, la Pioneer 10 se hizo un socio útil en un experimento de mecánica celestial. Al monitorear cuidadosamente su trayectoria, los científicos podrían detectar un inesperado tirón gravitacional que pudiera delatar la presencia del largamente hipotetizado Planeta X. Basados ampliamente en movimientos inexplicables en las órbitas de Urano y Neptuno, numerosos astrónomos del siglo 20 habían sugerido la existencia de un mundo sin descubrir en el extremo de nuestro sistema solar.

John D. Anderson, un veterano científico del JPL, se puso en la tarea de estudiar los datos de las señales de radio de las sondas Pioneer 10 y 11 buscando algún indicio del Planeta X. Su búsqueda no dio resultado. Por esta razón, entre otras, John y su equipo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL - Jet Propulsion Laboratory) se convencieron que la probabilidad de descubrir un 10º planeta era mínima, como lo reportaron en la edición de Mayo/Junio 1999 de The Planetary Report. Pero al principio de 1980, John y su equipo empezaron a ver señales de algo más - algo inesperado. Mientras buscábamos el Planeta X, notamos que los datos no se ajustaban completamente con el modelo del sistema solar existente. Estos mostraban una aceleración anómala - en este caso, una aceleración hacia atrás. Esta no igualaba ninguna fuerza esperada del Planeta X, y no pudimos explicarla inmediatamente. Cuando los modelos teóricos no se ajustan a los datos experimentales, la práctica científica estándar consiste en buscar una razón para la discrepancia. Por lo que, nos embarcamos en un programa para estudiar la extraña aceleración.

Estudiamos las propias naves, buscando una explicación técnica relacionada con el hardware. Luego que todos los sistemas fueron tomados en cuenta, los datos sobre su dirección aún mostraban una aceleración anómala hacia el Sol aún cuando las Pioneer se encontraban viajando fuera del sistema solar. Este resultado tiene repercusiones en campos tan diversos como la física teórica y la navegación en el espacio profundo. Para dar explicación a esta anomalía de las Pioneer, podemos vernos forzados a recurrir a lo que algunos han llamado una 'nueva física'.

La nave espacial
El 2 de marzo de 1972, Pioneer 10 fue lanzado en un cohete Atlas/Centauro desde Cabo Cañaveral. La Pioneer 10 fue la primera sonda espacial de la Tierra dirigida a otro planeta, encontrando a Júpiter el 4 de diciembre de 1973. Pioneer 11 siguió su nave hermana a Júpiter, y continuó para encontrar a Saturno el 1º de Septiembre de 1979.

Con sus misiones iniciales terminadas, las dos naves se embarcaron en órbitas de escape hacia lados opuestos del sistema solar, viajando casi a lo largo de la eclíptica, el plano imaginario descrito por la órbita terrestre sobre el Sol. La Pioneer 10 se convirtió en el primer artefacto humano en dejar el sistema solar cuando, en junio de 1983, pasó más allá de la órbita del más lejano planeta conocido, Plutón.

Una falla en el interruptor del sistema de radio de la Pioneer 11 el 1º de octubre de 1990, deshabilitó la generación de señales Doppler coherentes que usamos para rastrear, por lo que dejamos de recibir más datos de esa nave que nos ayudaran a resolver la anomalía. El 31 de marzo de 1997, Pioneer 11 fue finalmente apagada, pero continuó en su viaje hacia la constelación del Águila [Aquila], a la que llegará en unos 4 millones de años.

La misión de Pioneer 10 terminó oficialmente el 31 de marzo de 1997, cuando la nave se encontraba a 67 UA del Sol, pero continuó trabajando y generando datos para nuestro estudio. (Una UA, o Unidad Astronómica, es la distancia promedio de la Tierra al Sol, cerca de 150 millones de kilómetros o 93 millones de millas). Eventualmente, aunque, perdimos nuestro colaborador. El 11 de Febrero de 2000, Pioneer 10 recibió su último mensaje desde la Tierra y no se supo más de ella. A una velocidad relativa del Sol de 12,24 kilómetros (7,6 millas) por segundo, Pioneer 10 continuará viajando dentro del espacio interestelar, dirigiéndose a Aldebarán, la estrella roja que forma el ojo del toro en la constelación de Tauro.

El Descubrimiento de la Anomalía
Las fuerzas no gravitacionales actuando sobre una nave espacial son comunes y pueden causar serios problemas, como vimos cuando el Orbitador Climático de Marte (MCO - Mars Climate Orbiter) se quemó en la atmósfera marciana debido a un error al interpretar la magnitud de las pequeñas fuerzas medidas desde el sistema de control de actitud de la nave.

Sin embargo, las naves espaciales Pioneer son mucho más simples que el MCO o, en ese sentido, cualquier otra nave, incluyendo a Voyager, Galileo y Cassini. Las dos Pioneer son simples giradores, que no necesitan propulsores de control de actitud para mantenerlas en curso. Cualquier tipo de fuerza no gravitacional viene de la presión de la radiación solar (la misma fuerza que impulsa una vela solar) o viene de emisiones térmicas o radiales generadas por el sistema de energía de la nave - básicamente los Generadores Termoeléctricos de Radioisótopos (RTGs - Radioisotope Thermoelectric Generators).

¿Qué pasó con el Planeta X? A principio del siglo 20 varios astrónomos, incluido Percival Lowell, notaron lo que parecían ser anormalidades inexplicables en las órbitas de Urano y Neptuno. La explicación, argumentaron, era la presencia de un planeta no descubierto en el extremo exterior del Sistema Solar. Lowell lo denominó 'Planeta X', y destinó los recursos de su observatorio privado en Flagstaff, Arizona, a la búsqueda. En 1930 el joven astrónomo del personal Clyde Tombaugh, buscando el Planeta X, descubrió a Plutón. Una vez se conocieron las verdaderas dimensiones de Plutón, estaba claro que éste era muy pequeño para ser el responsable de las anomalías en las órbitas de Urano y Neptuno, y la búsqueda continuó. Mientras tanto, el descubrimiento de nuevos objetos en el Cinturón de Kuiper cercano a Plutón probaron que existía suficiente material en órbita más allá de Neptuno, y que la presencia de un único planeta más masivo que la Tierra era improbable. En 1993, E. Myles Standish del Laboratorio de Propulsión a Chorro demostró que las observaciones existentes de Urano y Neptuno podían después de todo ser concordadas con sus órbitas predichas. No existía la necesidad de interferencia de un 'Planeta X' o algo más para explicar los movimientos de los planetas. La búsqueda llegó a su fin.

Para 1980, cuando la Pioneer 10 se encontraba a 20 UA del Sol, la contribución en la aceleración proveniente de la presión de radiación en la nave, empujándola lejos del Sol como si fuera una vela ineficiente, decreció a menos de 5 x 10 (-8) centímetros sobre segundo al cuadrado - una cantidad verdaderamente pequeña. Esta contribución solar caía según el inverso al cuadrado de la distancia, como lo esperábamos.

Por lo tanto, luego que dejaron el sistema solar interno, las sondas Pioneer eran naves con un pobre comportamiento como vela solar. De hecho, no fueron diseñadas para la navegación solar aún a una UA, sin embargo el efecto pudo ser observado fácilmente en los datos Doppler durante su viaje entre la Tierra y Júpiter. Pero para las 20 UA, podía ser apenas detectado. En ese punto, empezamos a elaborar la idea que una fuerza inexplicable estaba actuando en la nave, causando que ésta acelerara hacia atrás en dirección al Sol - en efecto, deteniéndola.

Luego de este descubrimiento en 1980, dos de nosotros, John D. Anderson y Eunice L. Lau, decidieron estudiar la anomalía. Aunque, porque estábamos razonablemente seguros que la anomalía era algún tipo de error en el diseño de la navegación, no le dimos una alta prioridad. Nosotros simplemente agregamos una aceleración constante a nuestro modelo ajustado a Doppler para que pudiéramos determinar una trayectoria precisa. Esperábamos que la anomalía desapareciera eventualmente. Pero no lo hizo.

En 1994, Michael Martin Nieto se involucró. Él se encontraba preparando una charla sobre pruebas de gravedad para el Taller de 1994 sobre Antiprotones de Baja Energía (LEAP - Low-Energy AntiProton) y había contactado a Anderson para preguntar la forma en que las leyes gravitacionales de Newton se mantienen a una escala de distancia interplanetaria. Hasta hoy, él recuerda el impacto que sintió cuando recibió el e-mail de Anderson que decía, 'Por cierto, la propiedad más grande en los resultados de nuestra aceleración es una tendencia de 8 x 10 (-13) kilómetros sobre segundo al cuadrado dirigida hacia el Sol'. En otras palabras, algo inexplicable esta sucediendo.

Para este momento, al hacerse claro que una seria investigación sobre los sistemas de la nave era necesaria, Slava G. Turyshev se unió al equipo. Discusiones con otras comunidades de física y navegación espacial enfatizaron que, antes de tomar seriamente el descubrimiento, un código de programación independiente sería necesario para determinar si se obtenía el mismo resultado. Para este fin, Philip A. Laing y Anthony S. Liu, un jubilado bajo contrato con The Aerospace Corporation, ingresaron al equipo. Phil y Tony, compañeros de trabajo en JPL durante los primeros días de Pioneer, desarrollaron después un código de navegación, CHASMP, utilizado para navegación espacial en The Aerospace Corporation.

Con todos los colaboradores en posición, la investigación de la anomalía se convirtió en una tarea de alta prioridad. El aspecto aeroespacial de la colaboración fue apoyado por la Oficina de Ciencia Espacial de la NASA.

El estado de la anomalía
Usando tanto el software de navegación del JPL como de la Corporación Aeroespacial (Aerospace Corporation), primero analizamos con detalle los datos desde enero de 1987 hasta julio de 1995. Durante ese intervalo, la Red del Espacio Profundo (Deep Space Network) había generado y entregado datos de radio Doppler reducidos a Anderson y Lau, por lo que estaban fácilmente disponibles. Luego de argumentos frecuentemente discutidos sobre posibles tecnicismos, concluimos que en realidad perduraba una aceleración sin modelar dirigida al Sol tanto para la Pioneer 10 y la Pioneer 11.

Nuestra conclusión, luego que todos los sistemas habían sido tomados en cuenta, es que permanece una señal de aceleración anómala de aP = (8,74 ± 1,25) x 10 (-8) centímetros sobre segundo al cuadrado en dirección al Sol. Hacemos énfasis en 'conocida' porque debemos admitir que la causa más probable de este efecto es un tecnicismo - aún - no comprendido, probablemente generado por las naves mismas.

Pero ni nosotros ni otros con la experiencia en ciencias espaciales y en naves espaciales han podido localizar este efecto. Hemos considerado escapes de gas, fuerzas de arrastre, propagación desigual de calor por la nave, retroceso provocado por las señales de radio enviadas a la Tierra, entre otras posibilidades. Hemos concluido que ha llegado la hora de investigar las consecuencias teóricas y experimentales que tal efecto - de ser real - implicaría.


¿Hacia donde vamos desde acá?
Hay muchas posibilidades que pueden explicar la anomalía de las Pioneer. Muchas más han sido propuestas, tomamos en serio al menos algunas de estas.

• Es un nuevo efecto.
  Dado que no se ha encontrado una explicación satisfactoria para los resultados de las Pioneer, una cantidad de sugerencias de 'nueva física' se han hecho. Estas proponen mecanismos que tienen su origen en efectos cosmológicos, o de gravedad/tiempo a gran escala. ¿Acaso esto significa que el efecto de las Pioneer se deban a la manifestación de corto alcance de un fenómeno cosmológico? Esa es una generalización, pero es una posibilidad que no debe darse por descontada. Análisis detallados de esta fenomenología son necesarios, y planeamos hacerlos.
  
  Por ejemplo, el hecho que la constante Hubble multiplicada por la velocidad de la luz da como resultado la magnitud de la aceleración anómala de las Pioneer ha sugerido a algunos que existe una conexión cosmológica, aunque esta sería una contracción en el sistema solar, no una expansión, y aparentemente no afecta a los planetas. Sin embargo, el descubrimiento que la expansión cosmológica actualmente está acelerando indica que la expansión Hubble es más complicada de lo que una vez pensamos. Basándose en esto, algunos han sugerido que la anomalía podría ser explicada por una aceleración en el tiempo cosmológico con respecto a un tiempo más concreto en el sistema solar, pero aquí los planetas también parecen no afectarse.
  


• Las leyes de Newton deben ser modificadas.
  Hace tiempo hemos estado interesados en las ideas de Mordehai Milgrom. Estas incluyen una variación en nuestro clásico entendimiento de la inercia y una Dinámica Newtoniana Modificada (MOND - Modified Newtonian Dynamics). MOND propone que la fuerza gravitacional normal, que decrece con el cuadrado de la distancia como lo describe la famosa ley de Newton, es modificada a distancias muy grandes. La fuerza gravitacional decrecería según el inverso de la distancia - no el cuadrado de la distancia. Como resultado, la fuerza gravitacional sería relativamente fuerte. Aunque la dinámica Newtoniana elimina la explicación de una fuerza de marea galáctica, la fuerza podría en principio ser grande en el caso de MOND. Investigaremos la posibilidad que estas ideas sean relevantes.
  


• Otras anomalías experimentales.
  Si el efecto permanece sin explicación, una mirada a singularidades relacionadas es necesaria. Desafortunadamente, las naves Voyager - viajando también hacia fuera del sistema solar - no giran establemente y se encuentran constantemente expulsando gas de control de actitud. Otra posibilidad sería un análisis estadístico de asteroides de grandes recorridos y órbitas de cometas. Tal vez lo mejor serían los acercamientos a la Tierra usados para asistencia gravitacional por las misiones de espacio profundo Galileo, NEAR y Cassini. La ventaja de usar los acercamientos a la Tierra es que su campo gravitacional es bien conocido gracias a datos de satélites y gravímetros. Sin embargo, luego de tomar en cuenta la gravedad de la Tierra, también parecen haber anomalías en los datos de la trayectoria de Galileo, NEAR y Cassini. Planeamos investigar profundamente todos los acercamientos a la Tierra disponibles.
  

Le debemos a cualquier misión espacial en el futuro el que entendamos la anomalía de las Pioneer. Bien sea que la Pioneer haya revelado una manifestación de 'nueva física' o un efecto técnico generado por los sistemas de la nave, es crucial que las naves y las misiones futuras sean diseñadas con esto en mente. La siguiente generación de naves espaciales puede desempeñarse mejor y sus misiones ser más productivas si resolvemos la anomalía.

¿Qué haremos a continuación?
Necesitamos más datos. Con las naves ahora en silencio, no podemos esperar datos en el futuro, así que debemos mirar al pasado. De hecho, hay cientos de cintas con datos tomados antes de 1987, cuando las naves se encontraban entre 10 y 40 UA del Sol. Esta información del momento en que las Pioneer estaban aún en medio de este reino planetario podría ser crucial para resolver la anomalía.

Desafortunadamente, estos datos se encuentran guardados en cientos de antiguas cintas de nueve pistas, ahora guardadas bajo una escalera en el JPL. Las cintas sólo pueden ser leídas por computadores igual de antiguos, gigantes en comparación con las máquinas modernas, que están destinados para demolerlos. Debemos transferir esta información a medios más modernos legibles por computadores actualizados, pero el tiempo se acaba.

The Planetary Society se ha ofrecido a ayudar en esta tarea. Se encuentran actualmente buscando los fondos para conseguir la ayuda necesaria para salvar los datos. Cuando esa tarea se complete, la Sociedad se ha ofrecido para asistir en la consecución de un investigador experimentado para que tome otra mirada, de forma independiente, a nuestros resultados para ver si hay algo que no tomamos en cuenta.

Debemos continuar. La anomalía de las Pioneer está esperando a ser explicada. Aunque resulte ser un molesto efecto en la nave o una revolución en la física, es un misterio que debe ser resuelto mientras continuamos explorando el universo que nos rodea.

John D. Anverso es astrónomo y científico principal de investigación, Eunice L. Lau es graduada en matemáticas aplicadas y analista de datos, y Slava G. Turyshev es física y científica de investigación, todos ellos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro. Michael Martin Nieto es físico teórico en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Philip A. Laing es especialista en ingeniería en el Departamento de Sistemas de Navegación y Geoposicionamiento en la Corporación Aeroespacial.