Algo pasa con la gravedad

En 1859, el mismo año en que Darwin publicaba su revolucionario y polémico libro, el astrónomo francés Urbain Jean Joseph Leverrier descubría ciertas discrepancias en las posiciones observadas de Mercurio respecto a las calculadas con las exactas ecuaciones de la mecánica celeste. Se trataba de una sutil anomalía que no tenía explicación.

Según la mecánica newtoniana, Mercurio debe seguir una órbita elíptica alrededor del Sol. Ahora bien, si incluimos los tirones gravitacionales del resto de los planetas aparece un efecto peculiar: la órbita no se mantiene estática en el espacio, sino que empieza a rotar. Esta rotación orbital se conoce como el avance del perihelio (que es el punto de la órbita más cercano al Sol), y se puede calcular con la teoría newtoniana de la gravedad. El resultado, después de farragosos cálculos, es de 531 segundos de arco por siglo. O dicho de otro modo, el perihelio de Mercurio da una vuelta completa al Sol cada 244.000 años. Pero las observaciones de Leverrier no cuadraban con la predicción teórica: el perihelio de Mercurio iba un 8% más deprisa de lo que decía la mecánica newtoniana. Leverrier postuló que era debida a la influencia de un planeta aún no detectado orbitando entre Mercurio y el Sol, que bautizó con el nombre de Vulcano. Tras intensas e infructuosas búsquedas, los astrónomos decidieron que Vulcano no existía y dejaron aparcado en un oscuro rincón de la física la casi inapreciable discrepancia teoría-experimento de 43 segundos de arco por siglo. Una minúscula diferencia que iba a revolucionar la física.

En 1915 Albert Einstein lanzaba su relatividad general, que no es otra cosa que una nueva teoría de la gravedad que completa la formulada por Newton en 1687. Y fue esa simple chinita en el zapato de la astronomía, los 43 segundos de arco por siglo, una de las pruebas de que era correcta. La teoría de Newton no podía explicar esa diferencia tan exigua; la de Einstein, sí. En el universo hasta las más ínfimas diferencias son cruciales.

Ahora bien, ¿es la teoría general de la relatividad de Einstein la teoría definitiva de la gravedad? Algunos físicos piensan que no. Porque hay datos igual de minúsculos que se resisten a una explicación. Por ejemplo, ciertos movimientos misteriosos de la Luna.

La sonda no tripulada soviética Luna-2 -la primera en aterrizar en otro cuerpo del Sistema Solar- y los astronautas de las misiones Apolo 11, 14 y 15 dejaron sobre la polvorienta superficie lunar una serie de reflectores de aluminio, unos espejitos de 50 centímetros cuadrados que permiten calcular la distancia a nuestro satélite con una precisión del orden de un centímetro. Todo un logro teniendo en cuenta que la Luna se encuentra a 384.000 km de nosotros.

Después de analizar 38 años de mediciones de distancias entre los observatorios terrestres y esos reflectores, James G. Williams del Jet Propulsion Laboratory de la NASA descubrió que la órbita lunar se estaba haciendo cada vez más elíptica. En 2006 Williams publicó sus cuentas: la diferencia entre el punto más lejano y el más cercano de la órbita estaba aumentando inesperadamente a un ritmo de 6 milímetros por año. Después de tener en cuenta otros efectos, como las fricciones de marea en el interior de la Tierra y la Luna, Williams descubrió que la diferencia seguía siendo mayor de lo esperado; casi en un factor 3. Por el momento, no tenemos una explicación clara a esa desviación.

Otra señal de que algo puede estar pasando con la gravedad lo tenemos en la determinación de la unidad de distancia utilizada por los astrónomos cuando se refieren a sistemas solares: la unidad astronómica (UA). Establecida como la distancia media de la Tierra al Sol -149,6 millones de kilómetros- se obtiene mediante observaciones en ondas de radio de las posiciones relativas entre los planetas interiores, con una precisión de entre 1 y 10 metros. Esto se realiza desde radiobservatorios terrestres o por telemetría desde las sondas espaciales. Así, se han utilizado los transpondedores llevados a Marte por las sondas Viking desde 1976 a 1982 y los de la Pathfinder en 1997. Luego se comparan con las posiciones planetarias calculadas con las ecuaciones de la mecánica celeste y se obtiene el valor de la velocidad de la luz en unidades astronómicas por día en lugar de los habituales metros por segundo. Como la velocidad de la luz es una constante, basta con pasar de días a segundos para obtener el valor de la unidad astronómica en metros. El valor aceptado en la actualidad es el calculado a partir de las efemérides D405 del Jet Propulsion Laboratory (JPL), aunque en la Europa del Este se usa el de las efemérides EPM2004 del Instituto de Astronomía Aplicada de la Academia de Ciencias Rusa.

Veamos lo poco que discrepan ambos datos -que se pueden achacar a errores experimentales-. Si los norteamericanos han obtenido el valor de 149 597 870 697 metros, los rusos obtienen 149 597 870 696,0. Con una exactitud de once cifras, es la constante astronómica más precisa jamás medida.

Sin embargo es posible que la UA no sea tan constante como los astrónomos suponen. Los datos obtenidos entre 1976 y 1997 han proporcionado la información necesaria para estudiar los movimientos planetarios… y darnos a una sorpresa. En 2004 E. Myles Standish del JPL afirmó que parecía aumentar con el tiempo. Eser mismo año los rusos Georgij Krasinsky y Victor Brumberg del Instituto de Astronomía aplicada de San Petersburgo analizaron más de 200.000 observaciones y descubrieron que la UA aumentaba un ritmo de 15 metros por siglo. En 2005, la astrónoma Elena Pitjeva, del mismo Instituto, publicaba un análisis aún más detallado de 317.000 observaciones que iban desde 1913 a 2003. Los resultados de la astrónoma, que determinan el valor de la UA con una precisión de un metro, revelan que crece con el tiempo del orden de 7 metros por siglo. ¡Y no debería hacerlo!

Pero la anomalía más famosa y más misteriosa de todas es la descubierta con las sondas espaciales Pioneer 10 y 11. Las dos están saliendo del sistema solar en direcciones diferentes, pero no se encuentran donde los científicos de la NASA esperan que estuvieran.

La Pioneer 10 fue lanzada en marzo de 1972 y tras pasar junto a Júpiter va camino de la estrella Aldebarán, donde llegará en 2 millones de años. Mientras, la Pioneer 11 lanzada en 1973 paso junto a Júpiter y Saturno y de ahí hacia la constelación del Águila; pasará cerca de la estrella lamda Aquila en 4 millones de años. La Pioneer 10 viaja a 2,5 UA por año, y se encuentra en los límites del Sistema Solar, a 96 UA del Sol. La Pioneer 11 va un poco más despacio, a 2,4 UA por año. Las estaciones del Deep Space Network de la NASA -una de las cuales se encuentra en la madrileña Robledo de Chavela, han seguido a estas naves incluso cuando ya no eran capaces de comunicarse con la Tierra.

A finales de la década de 1990 Michael Martin Nieto del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Philip Laing y Anthony Liu de Aerospace Corporation y John D. Anderson, Slava Turyshev y Eunice Lau del JPL estudiaron los datos recogidos durante 11 años de la Pioneer 10 y durante 4 años de la Pioneer 11. Y encontraron que estaban ligeramente fuera de curso. No mucho, pero las naves experimentaban una débil pero constante deceleración: en 1998 la Pioneer 10 estaba 58.000 kilómetros más cerca de lo esperado y la otra nave gemela estaba 6.000 km más cerca. Algo casi insignificante tras 10.500 millones de kilómetros, pero muy significativo pues la mecánica celeste es lo suficientemente exacta para dar cuenta de esta anomalía. ¿Quién estaba pisando el freno de las naves? Muchas han sido las hipótesis pero ninguna ha podido explicarlo de manera satisfactoria. ¿Se trata de algún efecto no gravitatorio o es la señal de que hay algo que se nos escapa de la gravedad?

En 2006 Slava Turyshev impidió la destrucción de parte de los discos que contenían datos telemétricos, temperatura y de potencia de las Pioneer hasta 2003. Junto con Viktor Toth, un programador de Ottawa, Ontario, diseñó el modo de extraer esos datos: el procesado de 50 años de telemetría no es moco de pavo. Pensaban que quizá pudiera explicar esta anomalía la energía generada por el generador de plutonio y que se perdía en el espacio en forma de calor. Sin embargo, los cálculos indicaron que solo daba cuenta del 30%. Ante estos resultados, no es de extrañar que Viktor Toth dijera: “Si realmente tenemos un medio de medir las desviaciones de la gravedad einsteniana en el Sistema Solar ¡sería fenomenal!”.

Por desgracia, lo que se ha hecho con las Pioneer no se puede hacer con las otras naves que están saliendo de nuestro Sistema Solar, las Voyager, debido a que eyectan de manera continuada gas para estabilizarse, lo que enmascara cualquier otro efecto. La única oportunidad que tendremos para comprobar este misterioso fenómeno es con la New Horizons, la nave lanzada en enero de 2006 y que pasó por Júpiter en 2007 de camino a Plutón, donde llegará en 2015. Desgraciadamente, esta nave no ha sido preparada para un seguimiento de precisión como sucedió con las Pioneer, pero los astrónomos creen que quizá puedan sacar algún dato de utilidad que arroje algo de luz sobre el misterio con los datos de 2010 y 2011.

Pero los rarezas no terminan aquí. En 2008 los científicos del JPL James K. Campbell, John E. Ekeland y James F. Jordan y John D. Anderson anunciaban en la prestigiosa revista Physical Review Letters el descubrimiento de cambios anómalos en la energía orbital de 6 naves que pasaron cerca de la Tierra para ayudarse de su campo gravitatorio en su camino hacia otros planetas. Esta es una maniobra clásica para ahorrar combustible y recibe el nombre de flyby. La primera pista de esta anomalía la obtuvieron siguiendo el flyby de la sonda Galileo el 8 de diciembre de 1990. La nave se estaba aproximando a la Tierra a una velocidad de 8,981 metros por segundo. Tras descontar todas las influencias del resto de los planetas y la Luna descubrieron que iba demasiado deprisa.

El exceso era muy pequeño, del orden de 4 milímetros por segundo. Ciertamente no era mucho, pero estaba ahí, como el exceso de Mercurio. ¿Pudo tratarse de un error de medida? No pudo comprobarse: en el nuevo paso dos años más tarde no se pudo hacer porque la Galileo atravesó las capas altas de la atmósfera, lo que impidió cualquier intento de hacer una medición precisa. Sin embargo, el paso de la sonda Near Earth Asteroid Rendezvous (NEAR) el 23 de enero de 1998 también mostró ese aumento de velocidad, casi tres veces mayor que la medida en la Galileo, 13,5 mm/s. Los astrofísicos estaban estupefactos. Cuando la nave Rosseta hizo su flyby en 2005 la anomalía medida fue de 2 mm/s.

¿Qué provoca ese aumento? Nadie lo sabe. ¿Puede ser un error de medida? Es posible, en el siguiente flyby de Rosseta de noviembre de 2007 nada pareció afectar su velocidad. Sin embargo, la Cassini-Huygens que exploró Saturno y su satélite titán ganó 0,11 mm/s. No es de extrañar que los astrónomos esperen con gran interés el siguiente paso de esta sonda antes de enfilar su siguiente objetivo, el cometa Churyumov-Gerasimenko, el 13 de noviembre de este año. Un efecto que podrá comprobarse en años posteriores, cuando la nave Juno se lance en 2011 con destino a Júpiter y utilice el campo gravitatorio terrestre como lanzadera en octubre de 2013.

Muchas son las explicaciones que se han dado para estos extraños fenómenos. La mayoría tienen que ver con efectos bien conocidos, como el calor radiado por las Pioneer. Sin embargo, si quien pisa el freno es la emisión térmica de la nave ¿por qué a medida que la fuente de calor se enfría la nave no se acelera? El ritmo al cual las sondas Pioneer están frenando se ha mantenido constante a lo largo de 11 años.

En 2006 Claus Lämmerzahl y Hansjörg Dittus de la Universidad de Bremen y Olivier Preuss del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar estudiaron de manera sistemática todas las explicaciones dadas como posible causa de las anomalías de los flyby terrestres: la atmósfera terrestre, las mareas oceánicas, las mareas sólidas terrestres, la carga de la sonda, el campo magnético, el viento solar… Ninguna explica más del 10% del total y el efecto de la mayoría es 1.000 veces más pequeña de lo necesario para afectar a la astronave.

¿Nos enfrentamos con una nueva física? Eso es lo que piensan unos cuantos astrofísicos, que sospechan que nos encontramos a las puertas de una nueva teoría de la gravedad. “Desde la década de 1970 los astrónomos saben que las regiones más externas de las galaxias parecen violar las leyes de la gravitación newtoniana”, dice John D. Anderson. Entonces se esperaba que las estrellas de esas zonas viajaran a una velocidad orbital que se hace menor a medida que nos alejamos del centro galáctico. Pero esto no es lo que se observa, sino que todas las estrellas situadas en el borde de la galaxia se mueven a la misma velocidad independientemente de los cerca o lejos que estén del centro galáctico. Esta observación fue el motivo por el cual se postuló la existencia de una materia oscura -pues es invisible a nuestros telescopios- que envuelve la galaxia como la cáscara de una naranja. De este modo se salva de la debacle la teoría newtoniana de la gravedad, aunque sea a costa de postular una materia desconocida, totalmente distinta a los elementos de la tabla periódica y sobre la que no existe la más mínima evidencia de qué puede tratarse. Esto es un caramelo para los físicos teóricos, pues tienen patente de corso para estirar sus teorías y sacar de la chistera partículas de lo más peregrinas. Y si todo esto fuera poco, esta misteriosa materia oscura es indetectable, salvo por esta traza gravitatoria. Claro que… ¿y si no existiera?

La materia oscura se enfrenta a un peculiar reto: han pasado más de 70 años desde que fuera postulada su existencia y todavía seguimos sin saber qué es y ni tan siquiera hay una observación directa que nos confirme que está ahí. En la actualidad hay una decena de experimentos en marcha -en laboratorios subterráneos como el de Canfranc en el Pirineo aragonés- esperando ver una partícula de materia oscura chocando con un núcleo atómico; otros doce pretenden detectar la aniquilación de una pareja de partículas de materia oscura mientras que otros científicos esperan que el LHC de Ginebra, el famoso acelerador inaugurado hace un año y que se estropeó al poco tiempo, pueda producirlo. Pero ante esta sequía de pruebas lo que la física teórica está pidiendo es un acto de fe.

Semejante situación ha sembrado un bien fundado escepticismo entre algunos cosmólogos. Científicos del Fermilab de Chicago, Scott Dodelson y Michele Liguori buscan pruebas que justifiquen la existencia de una nueva teoría de la gravedad capaz de explicar la estructura a gran escala del universo. «Debemos estar condenadamente seguros de que no podemos explicar el universo de otro modo que no sea aceptando la materia oscura», dice Dodelson. El camino al que apuntan es modificar la teoría de Einstein, hacerla más precisa, del mismo modo que Einstein completó la teoría de la gravedad de Isaac Newton.

Una posibilidad es la llamada teoría de la gravedad relativista covariante, formulada en 2004 por Jacob Bekenstein. Está basada en una versión modificada de la teoría newtoniana publicada en 1983 por Mordehai Milgrom. Según este físico israelí la teoría de Newton no se aplica bien a regiones de densidad de materia extremadamente baja. Según él la gravedad era más intensa en sistemas difusos y esto puede explicar el movimiento de las estrellas en las regiones exteriores sin tener que hace uso de la invisible y misteriosa materia oscura. Así, de igual modo que la teoría newtoniana no se aplica en campos gravitatorios intensos, que debe ser sustituida por la einsteniana, quizá hubiera que proponer una nueva teoría para regiones con campos muy débiles.

La propuesta inicial de Milgrom ha sido retomada, completada y corregida por de Bekenstein. Pero todavía hay mucho camino por recorrer. «Debemos comprobar todas las predicciones de la nueva teoría y compararla con el paradigma de la materia oscura para ver si es una alternativa viable», añade Liguori. Si fuera así las campanas tañerían a muerto por la materia oscura, a pesar de que su introducción ha resulto muchos problemas. Pero, como dice Dodelson, «hasta que no observemos la materia oscura, podemos ser escépticos».

Otro físico, John Moffat, ha propuesta una teoría gravitacional no-simétrica que también intenta explicar el misterio de la materia oscura. En esencia trata de conseguir lo que Einstein intentó hacer en los últimos años de su vida… y fracasó: encontrar una teoría unificada de campos. El asunto es bastante técnico y todo reside en comparar las ecuaciones del campo electromagnético con las del gravitatorio. Entre ellas hay una peculiar diferencia que si se solventase apuntaría a «la existencia de una nueva fuerza fundamental en el universo», dice Moffat.

Las complicaciones matemáticas de este aventura científica son de dimensiones homéricas y hasta el momento solo se han podido encontrar aproximaciones a lo que sería una nueva teoría, pero los pocos físicos que trabajan en ello piensan que van a poder expulsar del universo esa inexplicable materia oscura.

Y si no teníamos suficiente con la materia oscura, en 1997 los cosmólogos añadieron una complicación aún mayor. Ese año se descubrió que el universo estaba acelerando. La teoría de la relatividad general decía que era imposible que esto sucediese, luego «algo» debía estar empujando. ¿El qué? Nada más fácil. Ya teníamos la materia oscura para explicar el movimiento de las estrellas; introduzcamos algo aún más extraño para explicar la inexplicable aceleración: la energía oscura. Sin embargo, un pequeño número de físicos piensan que esto no es más que una nueva indicación de que debemos modificar nuestra concepción de la gravedad. Entre ellos se encuentran Martin Kunz y Domenico Sapone. El problema fundamental, como estos dos físicos declaran, es que «no podemos observar directamente ni la energía oscura ni la gravitación modificada, solo cómo se comportan las galaxias». No hay manera de distinguir experimentalmente entre ambas: » la energía oscura y la gravedad modificada parecen lo mismo», añade Kunz. Su esperanza se encuentra en estudiar ciertos aspectos relacionados con el fenómeno conocido como lente gravitacional, esto es, el efecto que tiene en el camino recorrido por un rayo de luz la presencia de campos gravitatorios cercanos. El tiempo dirá si Einstein tenía razón después de todo.

(Aparecido en Muy Interesante)