El enigma de la anomalía Pioneer

Cuando toca el tema de gravitación, suelo comenzar hablando a mis alumnos sobre los descubrimientos de Johannes Kepler. Carl Sagan, en su Cosmos, nos narra magistralmente la historia de cómo este astrónomo pugnó por ajustar los movimientos de los planetas a un modelo geométrico. No dudó en viajar hasta Dinamarca para conseguir las mejores medidas de las posiciones planetarias, cosa que no obtuvo sino después de largos años de duro esfuerzo. Al final, consiguió ajustar la órbita de Marte a una circunferencia. O casi. Había un pequeño error, una discrepancia sutil que otros hubieran descartado pero que a él no le dejaba dormir, y no cejó hasta llegar a una explicación satisfactoria.

Kepler

Cuatro siglos y algunos días después de la muerte de Kepler, la sonda Pioneer 10 abandonaba la Tierra con dirección a Júpiter, seguida por su hermana Pioneer 11 un año después. Tras una misión de observación en Júpiter y Saturno, a finales de la década de los noventa la misión se consideró concluida. Solamente les quedaba adentrarse en el espacio interestelar, al igual que sucedería unos años más tarde con las sondas Voyager. Su destino era perderse en las inmensidades del espacio interestelar.

Pero quedaba un misterio sin resolver. Las sondas Pioneer eran plataformas muy estables, excelentes para estudios de posición “en vuelo libre” (al contrario que las Voyager, que se estabilizan gracias a sus sistemas de control, cambiando con ello su posición una y otra vez), y los datos de telemetría que transmitieron indicaban cierta anomalía en su trayectoria. Es decir, no se encontraban donde debían estar.

Pioneer10-11

A una distancia de 3.000 millones de kilómetros, la aceleración de las sondas discrepaba de la calculada. La diferencia, eso sí, era muy pequeña: apenas 0,8 milmillonésimas de m/s2 en dirección al sol, diez órdenes de magnitud inferior a la aceleración de la gravedad que sentimos usted y yo en este mismo momento. Para que se haga usted una idea, si tirásemos en caída libre un objeto desde cien metros de altura y le diésemos una aceleración extra igual a esa cantidad, recorrería una distancia adicional del orden del radio de un átomo. Una cantidad insignificante pero, a pesar de todo, medible gracias a la estabilidad en la trayectoria de las Pioneer. Una insignificancia que requiere una explicación.

En la mente de todos estaba, imagino, esa pequeña discrepancia en el perihelio de Mercurio que afianzó la validez de la Relatividad de Einstein. ¿Acaso la teoría del viejo maestro necesitaba una corrección? ¿Es posible que la variación de la gravitación con la distancia no fuese exactamente del cuadrado inverso? ¿Hemos encontrado un indicio de la existencia de materia o energía oscura? Son posibilidades excitantes, pero antes hay que descartar explicaciones más mundanas como:

– La atracción de los demás cuerpos del Sistema Solar

– Frenado por el polvo o gas interplanetario

– Fugas de gas de la propia sonda

– Presión de la radiación procedente del sol

– Retardo de la señal de radio conforme atraviesa la atmósfera terrestre

– Interacciones entre la señal de radio y el viento solar

– Variaciones en la posición de las estaciones receptoras en tierra

– Contracción relativista del tiempo

Todos esos factores fueron tenidos en cuenta, y ninguno parecía explicar la anomalía. ¿Se trataría de algún problema de las propias Pioneer? Bien, resulta que hay otras dos sondas que también podrían arrojar datos útiles al respecto. Son la Galileo, una sonda que sobrevoló el sistema de Júpiter en 1995; y la Ulises, enviada en una órbita perpendicular a la eclíptica (el plano en el que giran los planetas) para investigar el sol. Aquí hubo una de cal y una de arena. Una serie de datos de la Galileo no dio resultados concluyentes, pero la posición de Ulises sí parecía indicar una deceleración dependiente de la distancia. La conclusión fue que eran necesarios más avances tanto en el campo teórico como en el experimental. O dicho en palabras claras y sinceras: no lo sabemos.

Una de las hipótesis se basaba en la emisión anisotrópica de radiación térmica de las propias naves. Cuando un cuerpo emite calor en el vacío, lo hace en forma de radiación. Las Pioneer estaban emitiéndola, procedente de los generadores radioisotópicos que les daban energía. Si esa emisión era anisótropa, esto es, si la sonda emitía más radiación en unas direcciones que en otras, eso podría explicar la anomalía. El problema era que la deceleración parecía permanecer constante, en tanto que el generador radioisotópico viene a ser como la brasa de una chimenea, que se va apagando poco a poco. Si la hipótesis de la emisión térmica fuese correcta, la deceleración debería ir disminuyendo con el tiempo conforme las baterías de plutonio se fuesen agotando. Además, los cuatro generadores de las Pioneer se encontraban al final de dos barras metálicas de diez metros de longitud. La radiación térmica debería partir de allí, golpear la sonda y producirle la aceleración en la dirección adecuada, algo que no se consideró probable. Y para rematar la faena, las sondas Galileo y Ulises eran de diferente construcción.

Sin embargo, la nueva explicación era plausible. Era evidente que hacían falta más datos para corroborarla o descartarla, tanto teóricos como experimentales. Una de las cuestiones clave que se debería aclarar era por qué, si la anomalía se debía a los generadores, se mantenía de forma constante. El plutonio 238 de los generadores radioisotópicos tiene una vida media de 88 años. Con los datos conocidos hasta entonces, que apenas abarcaban diez años, la caída en la potencia no hubiera superado el 10%, pero con treinta años de datos la diferencia hubiera sido de más del doble. Eso haría más fácil (bueno, menos difícil) determinar si la deceleración era realmente debida al calor generado. Si los termopares que convierten calor en electricidad se degradaron con el tiempo, la variación del efecto de deceleración con el tiempo podría ser incluso más rápida.

Apareció entonces un problema que los bibliotecarios conocen muy bien: la obsolescencia de los formatos de almacenamiento. Los datos originales de las Pioneer se encontraban esparcidos por diversos centros de Estados Unidos: el JPL, el Centro Espacial Goddard, el Centro Ames, almacenes federales. Había cintas magnéticas, discos, ¡incluso tarjetas perforadas! La única vez que yo vi un sistema de tarjetas perforadas fue en los años noventa, mientras exploraba una zona de la Facultad de Ciencias que habían reservado para un museo. Había una clasificadora y un puñado de tarjetas en un rincón, acumulando polvo. En cuanto a mi tesis doctoral, que no tiene veinte años, ya no puedo leer la mitad de las gráficas, y en cuanto Microsoft decida que se acabó eso de leer formatos “legacy,” solamente me quedará la copia en papel.

Resulta chocante que los datos de nuestras primeras exploradoras interestelares se encuentren tan mal archivados, pero eso es lo que hay. Slava Turyshev, uno de los firmantes de un estudio de 1998 que mostró la anomalía Pioneer, se embarcó en una búsqueda de los datos perdidos. Algunos habían sido digitalizados, otros tuvieron que ser convertidos desde los viejos formatos. Una docena de cintas magnéticas se encontraron almacenadas (por decirlo de alguna forma) en cajas de cartón bajo una escalera en el JPL.

En una ocasión, Turyshev se encontró con Viktor Toth en el centro Ames de la NASA. Toth, ingeniero de software, estaba ayudando desinteresadamente en el proyecto, y tras un viaje en coche desde Ottawa descubrió treinta años de datos ¡apilados en contenedores de basura! No había presupuesto para almacenar tanto material, y los responsables habían decidido tirarlo todo. Toth y Turyshev les tiraron de las orejas a los del centro Ames, quienes al final consiguieron rapiñar algo de dinero para seguir archivando el material. Resultó que los datos de telemetría no se encontraban allí, pero la fortuna sonrió a los tenaces, y descubrieron que Larry Kellogg, un ingeniero del proyecto Pioneer ya retirado, había guardado una copia de todo antes de jubilarse. Si Clint Eastwood quiere hacer una secuela de Space Cowboys, ya tiene el guión hecho.

Turyshev y compañía contaron incluso con la ayuda del espíritu de Carl Sagan. No, no se les apareció en el espejo del baño, sino en la forma de la Planetary Society, una asociación que nuestro divulgador favorito ayudó a fundar, y que contribuyó en la búsqueda de los datos de las Pioneer con entusiasmo, ilusión, y lo más importante en estos casos, dinero. ¿Creíais que Sagan dejó de explorar el espacio sólo porque está muerto? Craso error, amigos. Con la ayuda de la Planetary Society, pronto estuvieron a punto décadas de datos sobre la velocidad de las Pioneer (gracias a nuestro amigo el efecto Doppler), y a partir de ahí se obtiene la aceleración. Los datos se extendieron hasta abril de 2002 para la Pioneer 10, y hasta noviembre de 1995 para la Pioneer 11. Ni siquiera así dejaron de aparecer los problemas de arqueología. Los datos habían sido formateados y re-formateados; series enteras de datos se han perdido; los terremotos que hubo en California en pasadas décadas habían cambiado la ubicación de algunas antenas receptoras, influyendo en la posición relativa de las Pioneer.

Finalmente, tras varios años de arqueología digital, se procedió al análisis de los datos y a la comparación con simulaciones informáticas de las naves. Y llegó el momento de responder a la gran pregunta: ¿puede la emisión térmica anisotrópica de las Pioneer explicar la anomalía en la aceleración? La conclusión, recientemente publicada en la revista Physical Review Letters, es: sí, puede. No es necesario reescribir las leyes de Newton ni las de Einstein, y el cambio de paradigma (lo siento, estoy leyendo a Thomas Kuhn últimamente) no se ha producido.

El caso de la anomalía Pioneer muestra que incluso sondas con décadas de edad a sus espaldas pueden contribuir poderosamente a nuestra comprensión del Cosmos. También nos recuerda que la experiencia de los Space Cowboys puede salvarnos el día, y que los recortes de hoy representarán pérdidas que lamentaremos durante décadas. Cuando un ingeniero recién graduado se tope con datos arcaicos y diga eso de “esto es anterior a… todo, ya nadie trabaja así,” crucemos los dedos y esperemos que haya un viejo lobo de mar experimentado al que poder preguntarle la ruta.

Como en estos temas me suelo volver algo poético (influencia saganiana, sin duda), me gustaría poder decirles que las Pioneer siguen surcando el espacio y transmitiendo a la Tierra sus descubrimientos. Esto último ya no es cierto. La señal de las sondas se fue apagando debido al agotamiento de su combustible nuclear. La última transmisión inteligible de la Pioneer 11 fue captada en noviembre de 1995; su compañera Pioneer 10 tardó algo más, y estuvo transmitiendo telemetría hasta el 27 de abril de 2002, ¡treinta años y un mes después de su lanzamiento! Todo un récord de longevidad espacial tan sólo superado por las Voyager.

La Pioneer 11 consiguió enviar una última señal, apenas distinguible, el 23 de enero de 2003. Desde entonces, las dos pioneras viajan en silencio. La Pioneer 11 se aleja en dirección a la constelación del Escudo. En cuanto a la Pioneer 10, su destino es la estrella Aldebarán, a la que llegará dentro de unos dos millones de años; a no ser que los klingon la vuelen en pedazos, como vimos en Star Trek V. Por mi parte, espero que este artículo llegue intacto a Flota Estelar como advertencia desde el siglo XXI… aunque después de leer la odisea de los datos Pioneer, no soy optimista.

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Este post ha sido realizado por Arturo Quirantes (@elprofedefisica) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.


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