Abril 26, 2004: No es usual que los ingenieros usen lenguaje florido al intercambiar opiniones acerca de las cosas que construyen. Así que cuando palabras como "hermoso", "elegante" e "ingenioso" cruzan con frecuencia los labios de los científicos e ingenieros mientras hablan del diseño de la sonda Gravity Probe B (GP-B), uno pudiera sospechar que este vehículo espacial es verdaderamente algo especial.

Derecha: Usando las esferas más perfectas que jamás haya creado el hombre, Gravity Probe B podría darle un vuelco a las teorías de Einstein. [Más información]

La sonda, lanzada el 20 de Abril en una misión para poner a prueba un aspecto no comprobado de la teoría de la relatividad de Einstein, es al fin de cuentas una maravilla del ingenio y destreza humanos. Solo hasta hace poco ha sido tecnológicamente posible construir la Gravity Probe B, a pesar de que la idea del experimento ha estado rondando desde los años 50.

"Si la ciencia experimental es un arte, entonces consideraría a la GP-B como una obra maestra del Renacimiento", dice Jeff Kolodziejczak, científico del Proyecto GP-B de la NASA en el Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center).

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La elegancia del diseño de la sonda GP-B consiste en parte en su habilidad para crear, en el confuso mundo real, un rincón casi perfecto. La meta del experimento lo exige. Los investigadores esperan detectar una curvatura en el espacio-tiempo alrededor de la Tierra tan sutil que incluso una pequeña interferencia de alguna fuerza externa o una pequeña imperfección interna en la propia nave alteraría el resultado que se está buscando.

La teoría de la Relatividad General de Einstein predice que la Tierra, en su rotación, tuerce el espacio y el tiempo con ella, formando un suave vórtice en la trama de espacio-tiempo alrededor de nuestro planeta. Los investigadores llaman a esto "Arrastre de Marco". La mayoría de los físicos creen que el vórtice espacio-tiempo es real, pero hasta la fecha ningún experimento ha sido suficientemente sensitivo para detectarlo inequívocamente.

La idea detrás del experimento es simple: Ponga un giroscopio girando en órbita alrededor de la Tierra, con el eje de giro apuntando hacia alguna estrella lejana como un punto fijo de referencia. Libre de fuerzas externas, el eje del giroscopio debe continuar apuntando a la estrella - para siempre. Pero si el área de espacio a través de la cual orbita el giroscopio se tuerce levemente, como predice la teoría de Einstein, la dirección del eje del giroscopio cambiará ligeramente con el tiempo. Observando este cambio en la dirección relativa a la estrella, el sutil efecto del arrastre de marco de referencia puede ser medido.

Arriba: Un giroscopio esférico girando en órbita terrestre debe oscilar debido al arrastre de marco.

Suena como un experimento simple, el truco está realmente en llevarlo a cabo. El eje del giroscopio no se desplazará mucho, solo 0,042 arcosegundos en un año, de acuerdo con los cálculos. (Un arcosegundo es solo 1/3600 parte de un grado) Para medir este ángulo con una exactitud razonable el GP-B debe tener una precisión de 0,0005 arcosegundos.

"Cada aspecto del experimento tiene que ser casi perfecto", dice Kolodziejczak. Encontrarse con este reto ha tomado casi 40 años de esfuerzos de muchos científicos e ingenieros brillantes, sobre todo de la Universidad Stanford, el Centro Marshall para Vuelos Espaciales y Lockheed Martin.

El equipo de Gravity Probe B tuvo que crear los giroscopios más redondos jamás hechos, y colocarlos en órbita terrestre adentro de un recipiente al vacío. No se podía permitir el ingreso de ningún tipo de resistencia atmosférica o fuerzas magnéticas a los giro-compartimientos. Esto es difícil porque el tirante campo magnético de la Tierra envuelve a la GP-B e incluso a una altura de 640 kilómetros, la extrema atmósfera de la tierra ejerce una resistencia en la nave espacial. Además, sería necesario medir la inclinación del eje giratorio... sin tocar siquiera el propio giroscopio.

Los giroscopios en la GP-B son las esferas más perfectas jamás creadas por el hombre. (El experimento lleva cuatro giroscopios en redundancia). Estas bolas tamaño ping pong de cuarzo fundido y silicón son de 3,8 centímetros de diámetro y nunca varían de una perfecta esfera más allá de 40 capas atómicas. ¡Eso significa que si estos giroscopios fueran del tamaño de la Tierra, la elevación de su superficie completa variaría por no más de 4 metros! Si estos giroscopios no fueran tan esféricos, sus ejes giratorios oscilarían incluso sin los efectos arrastre de marco, arruinando así el experimento.

Derecha: Uno de los giroscopios esféricos utilizado en la Sonda Gravity Probe B.

El estar en órbita permite a las esferas flotar dentro de sus cubiertas como si no pesaran, pero sin otros controles, las esferas giratorias tenderían a desplazarse y a colisionar en las paredes de sus contenedores. La razón es que la nave espacial está siendo levemente retardada por la resistencia aerodinámica, mientras que las esferas que flotan libremente dentro del vientre de la aeronave no lo están.

El equipo de la GP-B solucionó este problema desarrollando un satélite libre de fricción.

Dentro de la nave espacial instrumentos supervisan la distancia entre uno de los giroscopios y las paredes de su compartimiento con precisión extraordinaria -- hasta menos de un nanómetro (una millonésima parte de un milímetro). Los propulsores de la nave espacial responden a cualquier cambio en esa separación. De hecho, la nave espacial persigue al giroscopio y vuela a lo largo del mismo trayecto orbital "libre de resistencia".

Las esferas deben también ser protegidas contra el campo magnético de la tierra. ¿Por qué? Porque una débil señal magnética de los propios giroscopios será usada en última instancia para detectar todo cambio importante en el ángulo de sus ejes giratorios. La intrusión del campo magnético de la Tierra arrollaría esa señal.

¿Pero cómo bloquear el campo magnético de un planeta?

"Usamos sacos superconductores", dice Kolodziejczak. El ensamble del giroscopio se coloca dentro de sacos de plomo, que a su vez se colocan dentro de un gran contenedor criogénico llamado "dewar" que contiene 1.500 litros (400 galones) de helio líquido. El helio enfría los sacos de plomo a 1,7 grados sobre el cero absoluto (1,7 grados Kelvin, o aproximadamente -271 °C) A esta temperatura el plomo se convierte en un superconductor, bloqueando así el campo magnético de la Tierra. El campo magnético ambiental dentro de estos sacos se reduce a menos de 3 micro gauss, el cual es casi igual al del espacio profundo interestelar.

Arriba: El gran dewar de la Sonda Gravity Probe B que contiene cientos de galones de helio líquido.

El frío extremo también ayuda a crear un vacío de baja presión en el compartimiento del giroscopio, después de bombear hacia afuera la mayoría del gas, las moléculas de gas que quedan están frías y apenas se mueven, lo cual significa que ejercen una presión casi cero. En este ambiente diáfano y al alto vacío, el giroscopio esférico podría girar a su velocidad de operación de 10.000 rpm durante 1000 años sin reducir su velocidad en más de 1 por ciento.

Finalmente, es necesario medir el desplazamiento del giroscopio sin tocarlo en lo más leve.

De nuevo, la superconductividad viene al rescate. Una esfera superconductora, al girar, producirá un débil campo magnético que está exactamente alineado con el eje de rotación. Los giroscopios están por lo tanto cubiertos con una capa metálica de niobio de uniformidad casi perfecta. A la criogénica temperatura en el interior de la GP-B, el niobio se transforma en un superconductor y produce un campo magnético cuando se hacen girar las esferas. Supervisando el campo magnético, los ingenieros pueden monitorear la rotación de los giroscopios. -- ¡no es necesario tocarlos!

Arriba: Un diagrama esquemático del método SQUID para medir la inclinación de un giroscopio.

Para hacer esto, los científicos de la GP-B usan un dispositivo especial llamado SQUID -- siglas de "Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductora" (Superconducting Quantum Interference Device). Unido a un aro de alambre superconductivo rodeando estrechamente cada giroscopio, un SQUID funciona como detector ultrasensible del campo magnético. SQUID puede detectar un cambio en este campo de solo una 50 mil millonésima parte de un micro gauss (5 x 10^-14), lo cual equivale a un cambio del ángulo del giroscopio de un 0,0001 arcosegundo.

Un telescopio a bordo de la nave espacial mira constantemente a una lejana estrella llamada IM Pegasus. Esto sirve como punto externo de referencia para medir la inclinación de los giroscopios. Aunque IM Pegasus no es realmente un punto fijo. Cambiará de rumbo muy ligeramente durante los 2 años de vida de la misión GP-B. Afortunadamente, los astrónomos saben con exactitud cuán lejos se desplazará, así que ese movimiento puede ser tomado en cuenta.

Telescopios. Giroscopios. Sacos de plomo superconductivo y SQUIDs. Estos son materiales extraños para una realización artística. Sin embargo, entre los ingenieros y físicos no hay duda: la Sonda Gravity Probe B es una obra maestra.

Más información (en inglés y español)

Gravity Probe B -- (Universidad de Stanford) Portal de la misión

En Busca del Gravitomagnetismo -- (Ciencia@NASA) Gravity Probe B ha dejado la Tierra para medir una sutil fuerza de la Naturaleza aún largamente buscada.

Colinas y Valles en los giroscopios GP-B -- ¡se miden en micropulgadas!

Una revisión de la sonda Gravity Probe B -- del Consejo Nacional de Investigación.

La búsqueda del Arrastre del Marco de Referencia -- una descripción matemática del físico Clifford Will.

Pasatiempos para Einstein-- (Science@NASA) La misión Gravity Probe B probará dos aspectos importantes de la teoría de Relatividad General de Einstein.

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