Durante los tres años pasados un satélite ha orbitado la Tierra recopilando datos para determinar si las dos predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein son correctas.

Hoy, en la reunión de la Sociedad Americana de Física en Jacksonville, Florida, el Profesor Francis Everitt, profesor de la Universidad de Stanford e investigador principal de la Misión Relativista Gravity Probe B (GP-B), una colaboración de Stanford, NASA y Lockheed Martin, proporcionará un primer vistazo público a los datos que revelarán si la teoría de Einstein ha sido confirmada o no por el laboratorio orbital más sofisticado jamás construido.

“Gravity Probe B ha sido una gran aventura científica para todos nosotros, y estamos agradecidos por su largo historial de apoyo”

“Mis colegas y yo presentaremos los primeros resultados entre hoy y mañana. Es fascinante ser capaces de ver la curvatura del espacio-tiempo de Einstein en la inclinación de estos giroscopios de la GP-B — más de un millón de veces mejores que los mejores giroscopios de navegación inerciales.”

dijo Everitt.

El satélite GP-B fue lanzado en abril de 2004. Recopiló valiosos datos durante un año que el equipo de científicos de Stanford de GP-B ha estado estudiando minuciosamente durante los pasados 18 meses.

El satélite fue diseñado como un prístino laboratorio espacial, cuya única tarea era usar sus cuatro giroscopios ultra-precisos para medir directamente los efectos predichos por la Relatividad General. Uno es el efecto geodético – la cantidad por la que la masa de la Tierra curva el espacio-tiempo local en el que reside. El otro efecto, llamado arrastre de marco (frame-dragging), es la cantidad por la cual la rotación de la Tierra arrastra el espacio-tiempo local que lo rodea con ella. De acuerdo con la Teoría de Einstein, durante el curso de un año, la curvatura geodética del espacio-tiempo local de la Tierra provoca que el eje de giro de cada giroscopio se desplace de su alineamiento inicial en un minúsculo ángulo de 6,606 arco-segundos (0,0018 grados) en el plano de la órbita de la nave. De igual forma, el giro del espacio-tiempo local de la Tierra causa que el eje de giro se desplace un ángulo aún menor de 0,039 arco-segundos (0,000011 grados) (aproximadamente el ancho de un cabello humano visto a 400 metros de distancia) en el plano del Ecuador de la Tierra.

Los científicos de la GP-B esperan anunciar los resultados finales del experimento en diciembre de 2007, tras ocho meses de más análisis y refinamientos de datos. Hoy, Everitt y su equipo están listos para compartir lo que han encontrado hasta ahora – esto es, que los datos obtenidos de los giroscopios de la GP-B confirman con claridad las predicciones del efecto geodético con una precisión mejor de un 1%. Sin embardo, el efecto de arrastre de marcos es 170 veces más pequeño que el efecto geodético, y los científicos de Stanford están aún extrayendo su firma de los datos de la nave. El instrumento de la GP-B tiene suficiente resolución para medir el efecto de arrastre de marcos con precisión, pero el equipo ha descubierto un pequeño par de torsión y efecto sensor que debe ser modelado y eliminado de los resultados con precisión.

“Anticipamos que nos llevará unos ocho meses el análisis detallado de datos para realizar el ajuste completo del instrumento y reducir la incertidumbre de la medida de 0,1 a 0,05 arcosegundos por año lo que ya hemos logrado y para una precisión final esperada mejor de 0,005 arcosegundos por año”, dice William Bencze, Director del Programa GP-B.

“Comprender los detalles de estos datos científicos es como una excavación arqueológica: un científico comienza con un bulldozer, sigue con una pala, y finalmente usar palillos de dientes y cepillos de dientes para limpiar el polvo que hay alrededor del tesoro. Ahora estamos distribuyendo los cepillos de dientes”.

Los dos descubrimientos

Se hicieron dos importantes descubrimientos mientras se analizaban los datos de los giroscopios de la nave:

1. El movimiento de “polodia” de los giroscopios cesaba en el tiempo.
2. Los ejes de giro de los giroscopios estaban afectados por el pequeños pares de torsión clásicos.

Ambos descubrimientos son síntomas de una causa subyacente: pequeñas parcelas electrostáticas en la superficie del rotor y el aislamiento. Los efectos de estas parcelas en las superficies de metal son bien conocidos en la física, y fueron estudiados con cuidado por el equipo de GP-B durante el diseño del experimento para limitar sus efectos. Aunque previamente se entendía como un fenómeno microscópico de superficie que sería de media cero, los rotores de la GP-B mostraros parcelas de tamaño suficiente para que afectasen de forma medible al giro de los giroscopios.

El movimiento de polodia de los giroscopios es semejante al “bamboleo” común que podemos ver en un mal lanzamiento de fútbol americano, aunque se mostraría de una forma muy distinta en los giroscopios ultraesféricos de GP-B. Aunque se esperaba que este bamboleo mostrase un patrón constante durante la misión, se encontró que cambiaba lentamente debido a una diminuta disipación de energía producida por las interacciones del rotor y el las parcelas electrostáticas del aislamiento. El bamboleo de polodia complica las medidas de los efectos relativistas poniendo una señal de bamboleo que varía con el tiempo en los datos.

Las parcelas electrostáticas también causan pequeños pares de torsión en los giroscopios, particularmente cuando el eje de simetría del vehículo espacial no está alineado con el eje de giro de los giroscopios. El par de torsión causa que el eje de giro de los giroscopios cambie de orientación, y en ciertas circunstancias, este efecto puede parecerse a la señal de la relatividad que mide la GP-B. Afortunadamente, la deriva provocada por estos pares de torsión tienen una relación geométrica precisa con el desalineamiento del giro de los giroscopios / eje de simetría del vehículo y puede ser eliminado de los datos sin afectar directamente a la medida de la relatividad.

Ambos descubrimientos tienen que ser primero investigados, ser modelados con precisión y entonces comprobarlos cuidadosamente contra los datos experimentales antes de que hayan eliminado todas las fuentes de error. Estas investigaciones adicionales han añadido más de un año a los análisis de los datos, y este trabajo está aún en proceso. A fecha de hoy, el equipo ha hecho muy buenos progresos en este tema, de acuerdo con un Comité Asesor Científico independiente, presidido por el físico relativista Clifford Will de la Universidad de Washington en San Louis, Missouri, que ha estado monitorizando cada aspecto de la GP-B durante la última década.

Además de proporcionar este primer vistazo a los resultados experimentales en la reunión de la APS, el equipo de la GP-B ha hecho público un archivo de los datos experimentales sin tratar. Los datos estarán disponibles a través del Centro de Datos Nacional de Ciencias Espaciales en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de NASA a principios de junio de 2007.

Ideado por los profesores de Stanford Leonard Schiff, William Fairbank y Robert Cannon en 1959 y patrocinado por NASA en 1964, GP-B es el programa de investigación de física continuo de mayor tiempo de ejecución de ambos, Stanford y NASA.
Aunque el experimento es un concepto simple (usa una estrella, un telescopio y una esfera giratoria) llevó más de cuatro décadas y 760 millones de dólares diseñar y producir toda la tecnología punta necesaria para poner el satélite GP-B en la rampa de lanzamiento, llevar a cabo su “simple” experimento y analizar los datos. 20 de abril de 2004, GP-B hizo historia con un perfecto lanzamiento de la Base de las Fuerzas Aéreas en Vandenberg California. Tras una inicialización de cuatro meses y un periodo de verificación en órbita, durante el cual los cuatro giroscopios giraros a una velocidad media de 4000 rpm y los ejes de giros de la nave y los giroscopios fueron alineados con la estrella guía, IM Pegasi, el experimento se inició.
Durante 50 semanas, de agosto de 2004 a agosto de 2005, la nave transmitió más de un terabyte de datos experimentales al Centro de Operaciones de la Misión GP-B en Stanford. Uno de los satélites más sofisticados jamás construido, la nave GP-B tuvo un rendimiento extraordinario durante este periodo, así como el equipo de Operaciones de la Misión GP-B, teniendo en cuenta a los científicos e ingenieros de Stanford, NASA y Lockheed Martin, dijo el Profesor Emérito de Stanford Bradford Parkinson, co-investigador principal con John Turneaure y Daniel Debra, también Profesores Eméritos en Stanford.
La toma de datos terminó el 29 de septiembre de 2005, cuando el helio de los tanques de la nave finalmente se agotó. En ese momento, el equipo de la GP-B transicionó de las operaciones de la misión al análisis de datos.

A lo largo de sus 47 años de vida, la GP-B ha adelantado las fronteras del conocimiento, proporcionando una base de entrenamiento para 79 estudiantes de doctorado en Stanford ( y 13 estudiantes de otras universidades), 15 másters de grado, cientos de estudios de grado y docenas de estudiantes de instituto que trabajaron en el proyecto. Además de esto, la GP-B generó una docena de nuevas tecnologías, incluyendo unos giroscopios de récord y sistemas de suspensión de giro, el SQUID (Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductor – Superconducting QUantum Interference Device) sistemas de lecturas de giroscopios, telescopios de alineamiento estelar ultraprecisos, tanque criogénicos y tapones porosos, microimpulsores y tecnología libre de arrastre y el sistema de determinación orbital basado en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Todas estas tecnologías fueron esenciales para llevar a cabo el experimento, pero ninguno existía en 1959 cuando se ideó el experimento. Además, algunas tecnologías que fueron diseñadas en Stanford para su uso en GP-B, como los tapones porosos que controlaban el escape del gas helio del tanque, fueron usados en otros experimentos de la NASA como COBE (el Explorador de Fondo Cósmico, que aquel año ganó el Premio Nobel) WMAP (Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson) y el Telescopio Espacial Spitzer.

Se espera que se complete el análisis de datos final del experimento en diciembre de este año. Cuando se le preguntó por un comentario final, Francis Everitt dijo:

“Sospecha siempre de las noticias que quiere escuchar”.

El Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA dirige el programa GP-B y contribuye de forma significativa a su desarrollo técnico. El principal contratista de la NASA para la misión, la Universidad de Stanford, ideó el experimento y es responsable de del diseño e integración del instrumental científico, así como de las operaciones de la misión y el análisis de datos. Lockheed Martin, principal su-contrata de Stanford, diseñó, integró y comprobó la nave y construyó algunas de sus componentes principales de carga, incluyendo el tanque y la sonda que alberga el instrumental científico. El Centro Espacial Kennedy de la NASA, Florida, y Boeing Expendable Launch Systems, Huntington Beach, California, fueron responsables del lanzamiento del Delta II.