¿Sufre la sonda Juno la extraña anomalía del sobrevuelo?

Uno de los misterios de la astronáutica actual es la llamada ‘anomalía del sobrevuelo’ (flyby anomaly). Recibe este nombre la extraña aceleración experimentada por algunas sondas al realizar una maniobra de asistencia gravitatoria para cambiar su velocidad alrededor del Sol. La diferencia entre la velocidad prevista y la medida es casi despreciable, del orden de milímetros por segundo, y no ha tenido consecuencias para ninguna misión. Pero, por muy pequeña que sea, la diferencia no es nula y hay que explicarla. La mayor parte de expertos creen que se trata de un error sistemático oculto, pero un reducido grupo de optimistas opinan que podríamos estar ante un ejemplo de ‘nueva física’ (o sea, un fenómeno que no puede ser explicado por la relatividad general de Einstein, que es la teoría de la gravedad vigente) o que se debe a la presencia de materia oscura. El fenómeno ha sido detectado por algunas sondas que han sobrevolado la Tierra de camino a otros destinos del sistema solar, pero no en todas. Obviamente, en otros planetas no disponemos de equipos precisos en la superficie para saber si este fenómeno también se produce, pero la misión Juno de la NASA, que orbita Júpiter desde 2016, podría ser una herramienta para detectar si este fenómeno es real.

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Sonda Juno (NASA).

La anomalía del sobrevuelo fue detectada por primera vez por la sonda Galileo cuando pasó por la Tierra el 8 de diciembre de 1990 camino a Júpiter. En esa ocasión la sonda experimentó una aceleración adicional de 3,92 mm/s. No era una cifra muy espectacular y nadie le dio mucha importancia en su momento, pero en 1998, 1999 y 2005 las sondas NEAR, Cassini-Huygens y Rosetta también sufrieron aceleraciones extrañas. Sin embargo otras sondas, como MESSENGER, no han experimentado ninguna anomalía. De hecho, la propia Rosetta no pudo medir ninguna aceleración fuera de lo normal durante otro sobrevuelo de la Tierra en 2009. Por este motivo muchos expertos piensan este misterio es en realidad un simple error sistemático.

Hay que destacar que esta anomalía no tiene nada que ver con la misteriosa aceleración que sufren las sondas Pioneer 10 y 11 que se alejan del sistema solar. Recientemente se demostró más allá de toda duda que esta ‘anomalía de las Pioneer’ era debida al minúsculo empuje generado por los fotones infrarrojos —o sea, el calor— emitido de forma heterogénea por los generadores de radioisótopos al rebotar sobre el cuerpo de la nave. Para confirmar esta explicación fue necesario reproducir con altísima precisión la sonda y el RTG con el fin de realizar numerosas simulaciones numéricas. El problema de la anomalía del sobrevuelo es que ha afectado a misiones muy distintas de forma aparentemente aleatoria. La mayoría de expertos cree que tras este misterio se encuentra un modelado incorrecto del campo gravitatorio terrestre, así que, aunque no se trate de nueva física, es un fenómeno muy interesante. De hecho, hasta se han propuesto misiones para saber si la anomalía es real o no, como por ejemplo STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test).

Desviaciones en los cambios de la velocidad durante los sobrevuelos de varias sondas (J. Páramos et al.).
Desviaciones en los cambios de la velocidad prevista durante los sobrevuelos de varias sondas (sexta columna) (J. Páramos et al.).

La sonda Juno es una magnífica opción para comprobar que, efectivamente, estamos ante un problema derivado de nuestro conocimiento del campo gravitatorio terrestre o es un fenómeno extraño. Juno se colocó el 4 de julio de 2016 alrededor de Júpiter con el objetivo de, precisamente, analizar el campo gravitatorio del gigante joviano y determinar así su estructura interna. Juno orbita Júpiter en una órbita muy elíptica con un periodo de 53,5 días que se acerca hasta los 4.200 kilómetros durante el perijovio. Con el objetivo de saber si existe esta anomalía primero es preciso conocer todas las influencias gravitatorias que sufre la sonda. En el caso de Juno, además de la gravedad de Júpiter —incluyendo varios armónicos— hay que tener en cuenta los satélites galileanos (Ío, Europa, Ganímedes y Calisto) y la gravedad del Sol (otros efectos como el viento solar, la presión de radiación, el momento magnético de la nave, la fricción atmosférica, la carga electrostática de la nave y la incertidumbre en la posición de los satélites son considerados despreciables después de haberlos analizado).

Un grupo de investigadores españoles —L. Acedo, P. Piqueras y J. A. Moraño— del Instituto Universitario de Matemática Multidisciplinar de la Universidad Politécnica de Valencia ha analizado los datos de la telemetría de Juno teniendo en cuenta estos factores y ha llegado a la conclusión de que la sonda sufre una aceleración no explicada del orden de varios mm/s2, justo lo que cabría esperar si Juno estuviese bajo los efectos de la anomalía del sobrevuelo. Esta aceleración anómala tiene dos picos quince minutos antes y después del paso por el perijovio y tiene una duración de unas seis horas.

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Aceleración anómala de Juno durante su paso por el perojovio (t=0) (Acedo et al.).

La principal pega que le podemos poner a este resultado es que los datos de Juno son todavía provisionales y que esta anomalía podría estar causada por los armónicos de mayor grado del campo gravitatorio de Júpiter, que son precisamente los que la sonda debe estudiar en detalle a lo largo de su misión. No obstante, los investigadores señalan que la anomalía persiste bastante tiempo antes y después del paso por el perijovio, mientras que si fuera un producto de la estructura interna de Júpiter solo debería notarse una media hora antes y después de cada sobrevuelo aproximadamente.

Ahora bien, suponiendo que esta anomalía sea verdadera, ¿cuál podría ser la causa? Una posible solución que no requiere modificar la relatividad general de Einstein u otras leyes básicas de la física pasa por invocar a la materia oscura. Efectivamente, un halo de materia oscura alrededor de los planetas como el propuesto por el investigador John Anderson podría resolver el enigma, a cambio eso sí de utilizar partículas con una masa muy pequeña comparada con la que proponen la mayor parte de modelos teóricos y que además tendrían una sección eficaz demasiado grande. Ni que decir tiene, otros investigadores opinan que esta hipótesis es un disparate. En definitiva, todavía es pronto para saber si Juno ha sufrido realmente la anomalía del sobrevuelo, pero en caso afirmativo estaríamos ante una plataforma excelente para resolver este misterio.

Referencias:


35 Comentarios

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miguelmiguel

¿Y no podría ser lo que pasaba con las Voyager que al estar cerca del planeta/masa? … se magnifica (el efecto Oberth).

miguelmiguel

Se me olvidaba, muchas gracias Daniel.
Y yo soy de los que anda deseoso de una nueva física (y si esta permite los warp ya sería la ……………………). Pero como los neutrinos superlumínicos, me temo que será algo “mucho más normal”.

NoelNoel

A ver, a ver, una cosa que me ha hecho patinar el embrague:

O sea, que las Pioneer (o las Voyager) que sufren la anomalía esa de marras, por la cual aceleran leve pero constantemente, ¿resulta que es causada por el choque CONTRA LA NAVE de los fotones infrarrojos que LOS PROPIOS RTG DE LA NAVE emiten?

O algo se me escapa a mí, o estamos haciendo el panfleto con el tema de las velas solares…

… porque si resulta que los fotones infrarrojos que UNA PARTE DE LA NAVE emite aceleran el vehículo al chocar CON OTRA PARTE DE LA NAVE… ¿a qué narices se espera entonces para hacer una sonda que conste de un mástil largo, con una vela solar delante y una batería de reflectores detrás, y ya nos olvidamos de la distancia al sol y demás? Un reactorcillo nuclear, una batería de cañones de luz de discoteca con esteroides (LED, para que gasten menos y el invento dure más), y tira millas, compradre!

O sea, que resulta que, al final, una nave SÍ QUE PUEDE propulsarse a sí misma. Los del EMDrive estarán que se comen las uñas de gusto, jajajajaja.

amagoamago

No es así. EM drive “funciona” sin masa de reacción. Las pioneer utilizan fotones. Él equivalente a impulsarse con una linterna.

Carlos TCarlos T

Me parece que no es así. El EMDrive consume energía eléctrica que transforma en microondas, es decir fotones a varios GHz en frecuencia. Y salir han d salir por algunos sitio y eso es lo que debe producir l mínimo empuje que se han registrado en algunos ensayos.

amagoamago

El diseño del EMDrive es una cavidad resonante, lo que viene a decir que las radiofrecuencias de dentro rebotan en las paredes hasta absorberse. La cavidad se supone estacompletamente apantallada del exterior.

Al menos eso es lo que entendí leyendo sobre el tema, que me interesa poco teniendo en cuenta que no funciona.

NoelNoel

Pero es que esa “linterna”… ¡¡está enganchada a la propia nave!! Es decir, los fotones salen con momento (pues no tienen masa) y transmiten parte de ese momento a la nave al golpearla… el principio básico de la propulsión fotónica.

Pero el rollo está en que, creo yo, esos fotones HAN DEBIDO QUITAR MOMENTO al global de la nave al ser emitidos, por lo que el resultado neto de energía cinética sería CERO. Pero no es así, y los fotones emitidos por el RTG QUE VA PEGADO A LA NAVE, al chocar CON la nave, la impulsan. Es lo mismo que poner un ventilador en un barco de vela (nunca he hecho el experimento, pero creo que no se mueve, porque el impulso del ventilador sobre la vela es contrarrestado con el impulso de las palas del ventilador contra el aire, con lo que el impulso neto debería ser cero).

Si las Voyager (o las Pioneer) están acelerando por la acción de los fotones térmicos que SUS propios RTG provocan sobre ellas, las naves están acelerando SIN NINGUNA MASA DE REACCIÓN.

No soy defensor del EmDrive, pero esto es lo más sospechosamente parecido a ese tipo de motor.

David BDavid B

No hombre no, no digamos disparates. La anomalía Pioneer se explica porque hay fotones infrarrojos emitidos directamente hacia el espacio (empuje en sentido contrario) y otros que son emitidos y reabsorbidos por la nave, anulando el impulso total. Obviamente simular todas las superficies, reflectividades y potenciales de absorción de toda la sonda, en alta resolución y teniendo en cuenta los RTGs gastados que estarán casi fríos pero no del todo, no es una tarea sencilla, pero parece que haciendo cuentas precisas y teniendo bien controlado el balance energético se explica la aceleración “anómala”. Nada de impulso sin reacción.

amagoamago

Los motores cohete también están enganchados a la nave y proporcionan empuje sin ningún problema…

El RTG emite en todas direcciones por igual por lo que el impulso neto es cero. Luego, algunos de los fotones emitidos, rebotan contra superficies de la nave proporcionando un impulso neto adicional igual que se impulsa una vela solar reflejando fotones.

AuligAulig

Yo diría que los fotones que emite el RTG y chocan con la superficie proporcionan un impulso total cero. Los que emite el RTG y salen hacia afuera, ok, es como un motor iónico pequeñito…pero no sé si tendrá una resultante no nula en alguna dirección.

Yo creo que la anomalía de las Pioneer, como dice arriba David B es por los fotones infrarrojos que emite diferencialmente las distintas superficies de la nave que se calientan con el RTG pero no reemiten igual en todas las direcciones.

NoelNoel

Pero los cohetes EMITEN GASES a alta temperatura y presión, tienen un escape y pierden masa con cada encendido. Es la presión del gas expandido contra la pared frontal de la cámara de combustión la que genera el empuje.

Y en las velas solares, la fuente de luz (sol, láser o lo que sea que se use) NO ESTÁ ENGANCHADO A LA NAVE, sino que es externa.

Pero aquí están hablando de que los fotones emitidos por el RTG (es decir, los que van hacia “adelante”) impulsan la nave AL REBOTAR contra las superficies de ésta. No dice nada de que haya un impulso de los fotones que salen en todas las demás direcciones, sino que dice EXPLÍCITAMENTE que “los fotones infrarrojos del RTG que impactan con la nave la aceleran suavemente”.

Si fuese como decís algunos, que son los fotones emitidos en el resto de direcciones, bastaría con una linterna encendida mirando para “atrás”, para que la nave fuese acelerando, ¿no?

O yo soy muy tonto, o aquí hay algo que no me acaba de cuadrar en esa explicación:

-Si son los fotones emitidos en todas direcciones los que aceleran la nave, pues ya están tardando en dejar una luz encendida mirando “pal” Sol (por aquello de que las sondas interestelares se alejan de casa).

-Si, por el contrario y como dice el artículo, son los fotones emitidos CONTRA las superficies de la nave los que, al rebotar en ella, le transmiten esa leve aceleración, pues una luz fuerte mirando para la nave y aceleración constante mientras duren las pilas!!

-Y, si se trata de los fotones “secundarios” emitidos POR LAS SUPERFICIES de la nave, como resultado de la interacción térmica con los que vienen del RTG, pues una fuente de calor situada de forma que TODO el calor se emita “hacia atrás” también debería acelerar la nave (y esto sí que lo entiendo y me cuadra, pero las otras dos explicaciones no).

¿Me explico o no?

amagoamago

A ver si consigo explicártelo Noel. Se te entiende lo que dices, pero hay numerosas incorrecciones.

— “Es la presión del gas expandido contra la pared frontal de la cámara de combustión la que genera el empuje” —
Esta afirmación no es correcta. En el empuje de un motor cohete la contribución de presión es pequeña. El empuje se debe principalmente al impulso del gas que abandona la tobera a alta velocidad.

Por cierto, los fotones tienen masa. Tienen energía, y de acuerdo con la relación E = mc^2 tienen masa. Al desintegrarse núcleos radioactivos en el RTG, este pierde masa, transformándola en energía, en forma de fotones. (gamma, que al absorberse y re-emitirse acaban como fotones IR).

— “No dice nada de que haya un impulso de los fotones que salen en todas las demás direcciones” —
Todos los fotones dan impulso. Lo que pasa es que como el RTG emite en todas las direcciones, considerando “todo el RTG” la contribución neta es aproximadamente cero. Si consideras el RTG menos la parte absorbida por la nave hay una contribución neta diferente de cero. Depende de cómo analices el problema.

Todos los métodos que expones para impulsar una nave son teóricamente posibles. No se utilizan porque su impulso es ridículo. (8.74±1.33)×10−10 m/s2 es la aceleración de las Pioneer. No es gran cosa como propulsor interestelar, ni aunque esforzándote mejores en 4 órdenes de magnitud.

No estoy seguro si la descripción más correcta es que los fotones se absorben y re-emiten o que se reflejan. El efecto neto sería muy similar. Creo que la correcta es la segunda, porque en principio es conveniente que los materiales para control térmico de vehículos que viajan tan lejos del sol sean muy malos emisores en IR para conservar el calor y ahorrar energía. Mal emisor de IR equivale a que absorbe muy poco y, como es opaco, refleja mucho. Aunque en este último punto estoy especulando.

JesúsJesús

Pero entonces, por lo poco que entiendo y por lo que leo, si se hace el diseño oportuno y estudiando cómo se consigue ese empuje adicional, mirando si se puede incrementar y demás, no tendremos un EMdrive, pero casi. ¿No?

David BDavid B

No, de nuevo.

Un fotón posee momento, es decir: energía. Un fotón no tiene masa, pero por E^2=(pc)^2+(mc^2)^2 , es equivalente tener masa a tener momento, a estos efectos.

La energía del sistema permanece constante (energía inicial de la sonda = energía final de la sonda + energía de los fotones eyectados). Un EM-Drive, por definición, es un motor sin reacción. Es decir, consigue empuje sin dejar atrás masa (o momento), o sea, postula que puede conseguir empuje/momento efectivo a partir del vacío. Esto va en contra de todos los cimientos de la Física conocida, puesto que cualquier otro tipo de sistema de impulsión conocido se “quedaría sin gasolina”: es decir, o la sonda se quedaría sin energía que radiar (en el caso de un motor fotónico — lo que es, de manera ineficiente, la base de la anomalía Pioneer) o, menos esotéricamente, sin masa de reacción que eyectar. Un EM-Drive no se quedaría sin gasolina, puesto que no la necesita para seguir impulsándose.

Por eso el concepto suena tan endeble a cualquiera que se pare a pensárselo con un poco de cuidado, sobre todo ateniéndose a los métodos de medida “discutibles” que utilizan la mayoría de sus fans para justificar que funciona, y el amateurismo de su sistema experimental.

RedRed

Tengo una pregunta. Alguien me podría explicar la extraña aceleración de las Pioner?
Porque si el empuje es recibido por el rebote de los fotones producto del RTG no sería como mover un vagón empujando desde adentro?

amagoamago

Él RTG emite fotones en todas direcciones. Los que van en dirección hacia la nave rebotan en sus superficies transmitiendo un impulso a la nave. La suma de energía y cantidad de movimiento del sistema nave mas fotones se conserva.

JxJx

Los errores sistemático ocultos nunca faltan. Eliminar errores en un sistema siempre es difícil pues hay cosas que conocemos y no que afectan. Pienso que estos errores sistemáticos se presentan en estas naves espaciales.
Con esto no estoy diciendo que no existan cosas de la física que aun no entendemos y no hemos descubierto que afectan el movimiento de la nave espacial, al contrario el modelo del espacio no es perfecto y algo ajeno al ser humno debe haber hay que acelera las naves espaciales.

JxJx

Los errores sistemático ocultos nunca faltan. Eliminar errores en un sistema siempre es difícil pues hay cosas que conocemos y no que afectan. Pienso que estos errores sistemáticos se presentan en estas naves espaciales.
Con esto no estoy diciendo que no existan cosas de la física que aun no entendemos y no hemos descubierto que afectan el movimiento de la nave espacial, al contrario el modelo del espacio no es perfecto, y algo ajeno al la física que conocemos debe haber ahí que acelera las naves espaciales y por lo tanto debemos descubrir que es.

amagoamago

Igual estoy equivocado, pero para mi errores sistemáticos no se refiere tanto a cosas que no se han considerado sino a cosas que se han considerado de forma errónea. Errores que creías que eran aleatorios y se iban a cancelar, pero acaban siendo preferentemente en un sentido y entonces se acumulan.

El CidEl Cid

Buenas,
Leyendo el post me surge alguna duda, en el se afirma que esta extraña anomalía no puede ser explicada por la Relatividad General de Einstein y lo que me sorprende, no es que pudiera existir nueva física, que no es poco claro, sino que pensaba, que en cuanto a mecánica orbital, es decir, la base teórica para calcular las trayectorias y los parámetros cinemáticos de los vehículos orbitales bastaba con la Mecánica Clásica de Newton (más probablemente algo de electromagnetismo clásico por el viento solar, dilataciones de los materiales, etc). Por supuesto, no me refiero al caso de experimentos ‘super’ especializados como los Gravity Probe, sino a los vehículos planetarios e interplanetarios artificiales del Sistema Solar. Pensaba que para localizar éstos vehículos, se utilizaba la Mecánica Clásica de Newton exclusivamente, pues las aproximaciones de la Relatividad no eran medibles, pero no es así, ¿no?.

amagoamago

Es como todo. Depende… Se puede ir a la luna y volver sin utilizar cálculos con correcciones por relatividad general? Si. Pero no puedes predecir con precisión la órbita de Mercurio.

Puedes calcular una maniobra de asistencia gravitatoria sin correcciones por relatividad general? Claro que si. Pero si quieres una precisión de 1mm/s en velocidad necesitas considerarla.

SBSB

Ola, me pasa, en cierta medida, como a Miguel, el comentarista de arriba: sería un salto enorme que hubiera una “nueva física” que asoma en fenómenos como el descrito. O que la materia oscura fuera la responsable, nos obligaría a revisar todo lo que conocemos (o creemos conocer) sobre este tema.

PacoPaco

“In 2012, a Chinese team said it had measured a thrust produced by its own version of the EmDrive. ”

Casualmente siempre se olvida que ese trabajo fue retirado posteriormente tras revisarse porque el impulso neto era cero.

U-95U-95

Me parece que son errores sistematicos, porque de no serlos todas las sondas lo experimentarian. No obstante si la fuerza de la aceleracion es proporcional a la masa del planeta, puede que si que hubiera algo escondido (en el caso del halo de materia oscura, cuanto mas masivo el cuerpo mayor deberia ser. Y si lo pueden tener los planetas, ¿porque no el Sol, y mucho mayor?)

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

Yo no creo que haya materia oscura alrededor de los planetas, y que ésta decida a qué sonda espacial afectar.

FrancoixFrancoix

Y si lo que sucede es que sirve para justificar aun más a einstein? No tendrá nada que ver la deformación espacio tiempo por culpa de la gravedad? A lo mejor estamos ante un motor warp natural y no tenemos ni idea…
(Ida de olla… será por el último programa de radio skylab)

fisivifisivi

Una ocurrencia más:

¿Y si actuase, además de la gravedad, otra fuerza centrípeta, por ejemplo un campo eléctrico?
Si las cargas eléctricas del planeta y la de la nave fuesen contrarias, habría que sumar la atracción electrostática a la de la gravedad.

No cobro por hacer reir.

fisivifisivi

Al volver a leer el artículo veo que esto ya está descartado:
“… la carga electrostática de la nave y la incertidumbre en la posición de los satélites son considerados despreciables después de haberlos analizado”

Sería interesante una explicación a nivel de la enseñanza obligatoria de cómo se mide la electrostática entre una nave espacial y un planeta.

AuligAulig

La materia oscura: esa “cosa” que tiene las propiedades que justamente nos hacen falta para explicar lo que nuestras teorías y ecuaciones no pueden hacer satisfactoriamente…

A medida que pasa el tiempo sin encontrarla en los diferentes experimentos se agranda la idea de “¿y si hubiera que cambiar algo en el modelo?”

eduardoeduardo

La anomalía solo se explica con los cálculos producidos con los teoremas de la nueva física que estamos pergeñando en estos momentos. Cuando la demos a conocer el edificio de la vieja física se desmoronará. Por eso me da un no se que de que se yo publicitarlos, pero cualquier día de estos me despierto malhumorado y todo el mundo va a tener que ponerse a estudiar en serio mis descubrimientos y dejar la poltrona de lo ya sabido, sino quiere quedar desactualizado y ser considerado un burrito.

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