La excentricidad relativista de los satélites Galileo 5 y 6 alcanza una amplitud máxima de aproximadamente 370 nanosegundos (mil millonésimas de segundo), impulsado por la altitud cambiante, y por lo tanto cambiando los niveles de gravedad, de sus órbitas elípticas alrededor de la Tierra. Una modulación periódica de este tamaño es claramente perceptible, dada la estabilidad de frecuencia relativa de los relojes atómicos pasivos de hidrógeno Maser a bordo de los satélites. Crédito:Agencia Espacial Europea
El sistema europeo de navegación por satélite Galileo, que ya presta servicios a usuarios de todo el mundo, ha proporcionado un servicio histórico a la comunidad de la física en todo el mundo. permitiendo la medición más precisa jamás realizada de cómo los cambios en la gravedad alteran el paso del tiempo, un elemento clave de la teoría de la relatividad general de Einstein.
Dos equipos europeos de física fundamental que trabajan en paralelo han logrado de forma independiente una mejora de aproximadamente cinco veces en la precisión de medición del efecto de dilatación del tiempo impulsado por la gravedad conocido como 'desplazamiento al rojo gravitacional'.
El prestigioso Cartas de revisión física revista acaba de publicar los resultados independientes obtenidos de ambos consorcios, recopilados a partir de más de mil días de datos obtenidos del par de satélites Galileo en órbitas alargadas.
"Es enormemente satisfactorio para la ESA ver que nuestra expectativa original de que tales resultados podrían ser teóricamente posibles ahora se ha confirmado en términos prácticos, proporcionando la primera mejora informada de la prueba de desplazamiento al rojo gravitacional en más de 40 años, "comenta Javier Ventura-Traveset, Jefe de la Oficina de Ciencias de la Navegación Galileo de la ESA.
"Estos resultados extraordinarios han sido posibles gracias a las características únicas de los satélites Galileo, en particular, las altísimas estabilidades de sus relojes atómicos a bordo, las precisiones alcanzables en la determinación de su órbita y la presencia de retrorreflectores láser, que permiten la realización de mediciones orbitales independientes y muy precisas desde el suelo, clave para desenredar los errores de reloj y órbita ".
Estas actividades de investigación paralelas, conocido como GRAN (experimento de desplazamiento al rojo gravitacional de Galileo con satélites excéntricos), fueron dirigidos respectivamente por el SYRTE Observatoire de Paris en Francia y el Centro ZARM de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad de Alemania, coordinado por la Oficina de Ciencias de la Navegación Galileo de la ESA y respaldado a través de sus Actividades Básicas.
Los satélites Galileo 5 y 6 fueron enviados a órbitas alargadas defectuosas por una etapa superior Soyuz defectuosa durante su lanzamiento en 2014. Esto los dejó incapaces de ver todo el disco de la Tierra durante el punto bajo o perigeo de sus órbitas. haciendo que sus cargas útiles de navegación sean inutilizables, porque utilizan un sensor terrestre para centrar sus haces de señales. Las maniobras orbitales posteriores lograron que sus órbitas fueran más circulares y que sus cargas útiles de navegación fueran más bajas porque conservaron vistas de todo el disco de la Tierra a través de cada órbita. Sin embargo, sus órbitas siguen siendo elípticas en comparación con el resto de la constelación de Galileo. Crédito:Agencia Espacial Europea
Felices resultados de un infeliz accidente
Estos hallazgos son el feliz resultado de un lamentable accidente:en 2014, los satélites Galileo 5 y 6 quedaron varados en órbitas incorrectas debido a un mal funcionamiento de la etapa superior Soyuz. bloqueando su uso para la navegación. Los controladores de vuelo de la ESA entraron en acción, realizando un atrevido salvamento en el espacio para elevar los puntos bajos de las órbitas de los satélites y hacerlos más circulares.
Una vez que los satélites lograron vistas de todo el disco de la Tierra, sus antenas podrían bloquearse en su mundo natal y sus cargas útiles de navegación podrían encenderse. Los satélites se utilizan actualmente como parte de los servicios de búsqueda y salvamento de Galileo, mientras que su integración como parte de las operaciones nominales de Galileo se encuentra actualmente bajo evaluación final por parte de la ESA y la Comisión Europea.
Sin embargo, sus órbitas siguen siendo elípticas, con cada satélite subiendo y bajando unos 8500 km dos veces al día. Fueron estos cambios regulares de altura, y por tanto los niveles de gravedad, lo que hizo que los satélites fueran tan valiosos para los equipos de investigación.
Recreando la predicción de Einstein
Albert Einstein predijo hace un siglo que el tiempo pasaría más lentamente cerca de un objeto masivo, un hallazgo que desde entonces se ha verificado experimentalmente en varias ocasiones, de manera más significativa en 1976, cuando un reloj atómico de máser de hidrógeno en el cohete suborbital Gravity Probe-A se lanzó a 10000 km al espacio, confirmando la predicción de Einstein dentro de 140 partes por millón.
De hecho, Los relojes atómicos a bordo de los satélites de navegación ya deben tener en cuenta el hecho de que suben más rápido en órbita que en tierra, lo que equivale a unas pocas décimas de microsegundo por día. lo que daría lugar a errores de navegación de unos 10 km diarios, si no se corrige.
Modulación periódica del corrimiento al rojo gravitacional para la órbita de un día de los satélites Galileo en órbita excéntrica. Crédito:Agencia Espacial Europea
Los dos equipos confiaron en el cronometraje estable de los relojes pasivos de máser de hidrógeno (PHM) a bordo de cada Galileo, estable a un segundo en tres millones de años, y se mantuvieron alejados del segmento terrestre mundial de Galileo.
"El hecho de que los satélites Galileo lleven relojes de máser de hidrógeno pasivos, era esencial para la precisión alcanzable de estas pruebas, "señaló Sven Hermann en el Centro ZARM de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad de la Universidad de Bremen.
"Si bien todos los satélites de Galileo llevan dos relojes de máser de rubidio y dos de hidrógeno, solo uno de ellos es el reloj de transmisión activo. Durante nuestro período de observación, nos centramos entonces en los períodos de tiempo en los que los satélites estaban transmitiendo con relojes PHM y evaluamos la calidad de estos valiosos datos con mucho cuidado. Mejoras continuas en el procesamiento y, en particular, en el modelado de los relojes, podría dar lugar a resultados más ajustados en el futuro ".
Refinando los resultados
Un desafío clave durante tres años de trabajo fue refinar las mediciones del corrimiento al rojo gravitacional mediante la eliminación de efectos sistemáticos como el error de reloj y la desviación orbital debido a factores como el abultamiento ecuatorial de la Tierra, la influencia del campo magnético de la Tierra, variaciones de temperatura e incluso el sutil pero persistente empuje de la luz solar, conocida como 'presión de radiación solar'.
"El modelado y control cuidadosos y conservadores de estos errores sistemáticos ha sido esencial, con estabilidades de hasta cuatro picosegundos durante el período orbital de 13 horas de los satélites; esto es cuatro millonésimo de un millonésimo de segundo, "Pacôme Delva del SYRTE Observatoire de Paris.
"Esto requirió el apoyo de muchos expertos, con notablemente la experiencia de la ESA gracias a su conocimiento del sistema Galileo ".
El seguimiento por satélite preciso fue habilitado por el Servicio Internacional de Alcance Láser, láseres brillantes hasta los catadióptricos de Galileo para controles orbitales a escala de centímetros.
También se recibió un importante apoyo de la Oficina de Apoyo a la Navegación con sede en el centro de operaciones ESOC de la ESA en Alemania, cuyos expertos generaron los productos de órbita y reloj estable de referencia para los dos satélites excéntricos de Galileo y también determinaron los errores residuales de las órbitas después de las mediciones con láser.
