Dos equipos europeos de física fundamental, trabajando en paralelo, han logrado quintuplicar la precisión de medición del efecto de dilatación provocado por la gravedad, lo que se conoce como 'corrimiento al rojo gravitacional'.
El sistema de navegación por satélite Galileo, que ya está al servicio de los usuarios de todo el planeta, ha dado una alegría de proporciones históricas a todos los físicos del mundo, al permitir medir con una precisión inédita cómo los cambios en la gravedad alteran el paso del tiempo, un elemento clave de la teoría general de la relatividad de Einstein.
La prestigiosa revista Physical Review Letters acaba de publicar los resultados independientes obtenidos por ambos consorcios, recabados a partir de más de mil días de datos obtenidos por el par de satélites de Galileo en órbitas alargadas.
"Resulta muy satisfactorio para la ESA ver que nuestras expectativas iniciales de que tales resultados fueran teóricamente posibles ahora se hayan producido en la práctica y nos ofrezcan la primera mejora registrada en las pruebas de corrimiento al rojo gravitacional en más de 40 años", comenta Javier Ventura-Traveset, director de la Oficina Científica de Navegación de Galileo de la ESA.
"Estos extraordinarios resultados han sido posibles gracias a las características únicas de los satélites Galileo, y especialmente a la alta estabilidad de sus relojes atómicos, a las precisiones alcanzables en la determinación de la órbita y a la presencia de retrorreflectores láser, que permiten llevar a cabo mediciones orbitales independientes y muy precisas desde el suelo, lo que resulta clave para resolver errores orbitales y de reloj".
Estas actividades investigadoras en paralelo, conocidas como GREAT (Experimento de Corrimiento al Rojo Gravitacional de Galileo con Satélites Excéntricos) han sido realizadas por el Observatorio SYRTE de París (Francia) y el Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad (ZARM) de la Universidad de Bremen (Alemania) bajo la coordinación de la Oficina Científica de Navegación de Galileo de la ESA y con el apoyo de sus Actividades Básicas.
UN ACCIDENTE CON CONSECUENCIAS POSITIVAS
Estos resultados son la feliz consecuencia de un desafortunado accidente: en 2014, los satélites 5 y 6 de Galileo quedaron atrapados en órbitas incorrectas debido a un fallo en la etapa superior de un cohete Soyuz, impidiendo su uso para la navegación. Los controladores de vuelo de la ESA se lanzaron a una atrevida maniobra de recuperación espacial para elevar los puntos más bajos de sus órbitas y hacerlas más circulares.
Una vez que los satélites lograron tener una vista de todo el disco terrestre, se pudieron fijar sus antenas y activar sus cargas útiles de navegación. En la actualidad, los satélites se emplean como parte del Servicio de Búsqueda y Salvamento (SAR) de Galileo, mientras que su integración como parte de las operaciones nominales de la constelación está siendo evaluada de forma definitiva por la ESA y la Comisión Europea.
A pesar de todo, sus órbitas siguen siendo elípticas: cada satélite asciende y desciende unos 8.500 km dos veces al día. Pero ha sido precisamente esta oscilación regular en su altura y, por ende, en sus niveles de gravedad, lo que los ha convertido en una herramienta de gran valor para los equipos de investigación.
RECREACIÓN DE LAS PREDICCIONES DE EINSTEIN
Albert Einstein predijo hace un siglo que el tiempo se ralentiza cerca de un objeto masivo. Esto se ha verificado de forma empírica en varias ocasiones; la más significativa fue en 1976, cuando se lanzó a 10.000 km en el espacio un reloj atómico de máser de hidrógeno en el cohete suborbital Gravity Probe A, confirmando la predicción de Einstein hasta un nivel de precisión de 140 partes por millón.
De hecho, los relojes atómicos a bordo de los satélites de navegación ya deben tener en cuenta que se mueven más rápido (unas décimas de microsegundo por día) en órbita que en tierra, lo que daría lugar a errores de navegación de unos 10 km diarios si no se corrigieran.
Los dos equipos confiaron en la sincronización de los relojes de máser pasivo de hidrógeno (PHM) a bordo de cada satélite (con una precisión de un segundo en tres millones de años) y la estabilidad del segmento de tierra de Galileo en todo el mundo.
"Que los satélites Galileo transporten relojes de máser pasivo de hidrógeno ha sido esencial para la precisión que han logrado alcanzar estas pruebas", apunta Sven Hermann, de ZARM.
"Aunque cada satélite de Galileo transporta dos relojes de rubidio y dos relojes de máser de hidrógeno, solo uno de ellos está activo como reloj de transmisión. Durante nuestro plazo de observación, nos centramos en los periodos en que los satélites transmitían con relojes PHM y evaluamos cuidadosamente la calidad de estos datos tan valiosos. Las mejoras continuas en el procesamiento y, especialmente, en la modelización de los relojes podrían llevarnos a lograr resultados aún más precisos en el futuro".
RESULTADOS AÚN MEJORES
Uno de los principales retos de estos tres años de trabajo fue perfeccionar las mediciones de corrimiento al rojo gravitacional eliminando efectos sistemáticos, como los errores de reloj y el desplazamiento orbital, debidos a factores como el achatamiento ecuatorial, la influencia del campo magnético terrestre, las variaciones térmicas e incluso el leve aunque persistente empuje de la propia luz del Sol, que se conoce como 'presión de la radiación solar'.
"El cuidado y la cautela en la modelización y control de estos errores sistemáticos han sido esenciales, con estabilidades de hasta 4 picosegundos por periodo orbital de 13 horas de los satélites; es decir, cuatro millonésimas de millonésima de segundo", explica Pacôme Delva, del Observatorio SYRTE.
"Para ello hemos contado con el apoyo de numerosos expertos, y especialmente de la ESA, gracias a su conocimiento del sistema Galileo".
El seguimiento preciso por satélite ha sido posible gracias al Servicio Internacional de Mediciones Láser (ILRS), que envía haces hacia los retrorreflectores de Galileo para efectuar comprobaciones orbitales a escala centimétrica.
También se ha recibido una ayuda fundamental de la Oficina de Soporte a la Navegación, basada en el centro ESOC de la ESA en Alemania, cuyos expertos generaron el reloj de estabilidad de referencia y productos orbitales para los dos satélites excéntricos de Galileo, a la vez que determinaron los errores residuales de las órbitas tras las mediciones láser.
Referencia bibliográfica:
Sven Herrmann, et al. 2018. Test of the Gravitational Redshift with Galileo Satellites in an Eccentric Orbit. Phys. Rev. Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.231102
P. Delva, et al. 2018. Gravitational Redshift Test Using Eccentric Galileo Satellites. Phys. Rev. Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.231101
