Anomalía de sobrevuelo
Problema sin resolver en física :

¿Qué causa el cambio inesperado en la aceleración de los sobrevuelos de naves espaciales?

(más problemas sin resolver en física)

La anomalía del sobrevuelo es una discrepancia entre los modelos científicos actuales y el aumento real de la velocidad (es decir, el aumento de la energía cinética ) observado durante un sobrevuelo planetario (generalmente de la Tierra) por una nave espacial. En múltiples casos, se ha observado que las naves espaciales ganan mayor velocidad de lo que los científicos habían predicho, pero hasta ahora no se ha encontrado una explicación convincente. Esta anomalía se ha observado como cambios en el Doppler de banda S y X y en la telemetría de distancia . La mayor discrepancia observada durante un sobrevuelo ha sido de 13 mm / s. [1]

Las ayudas gravitacionales son técnicas valiosas para la exploración del Sistema Solar . Debido a que el éxito de tales maniobras de sobrevuelo depende de la geometría exacta de la trayectoria , la posición y la velocidad de una nave espacial durante su encuentro con un planeta es rastreada continuamente con gran precisión por la Red de Espacio Profundo (DSN).

Residuos de rango durante el sobrevuelo de la Tierra de NEAR
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Durante su sobrevuelo, MESSENGER no observó ninguna anomalía

La anomalía de sobrevuelo se notó por primera vez durante una inspección cuidadosa de los datos DSN Doppler poco después del sobrevuelo terrestre de la nave espacial Galileo el 8 de diciembre de 1990. Si bien se esperaba que los residuales de Doppler (observados menos los datos computados) permanecieran planos, el análisis reveló un inesperado 66  Desplazamiento de mHz , que corresponde a un aumento de velocidad de 3,92 mm / s en el perigeo . Las investigaciones de este efecto en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), el Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) y la Universidad de Texas no han arrojado una explicación satisfactoria.

No se detectó tal anomalía después del segundo sobrevuelo terrestre de Galileo en diciembre de 1992, donde la disminución de la velocidad medida coincidió con la esperada del arrastre atmosférico a la altitud más baja de 303 km. Sin embargo, las estimaciones de resistencia tenían grandes barras de error, por lo que no se podía descartar una aceleración anómala. [2]

El 23 de enero de 1998, la nave espacial Near Earth Asteroid Rendezvous ( NEAR ) experimentó un aumento de velocidad anómalo de 13,46 mm / s después de su encuentro con la Tierra. Cassini-Huygens ganó alrededor de 0,11 mm / s en agosto de 1999, y Rosetta ganó 1,82 mm / s después de su sobrevuelo terrestre en marzo de 2005.

Un análisis de la nave espacial MESSENGER (estudiando Mercurio ) no reveló ningún aumento de velocidad inesperado significativo. Esto puede deberse a que MESSENGER se acercó y se alejó de la Tierra simétricamente alrededor del ecuador (consulte los datos y la ecuación propuesta a continuación). Esto sugiere que la anomalía puede estar relacionada con la rotación de la Tierra.

En noviembre de 2009, se siguió de cerca la nave espacial Rosetta de la ESA durante el sobrevuelo para medir con precisión su velocidad, en un esfuerzo por recopilar más datos sobre la anomalía, pero no se encontró ninguna anomalía significativa. [3] [4]

El sobrevuelo de Juno en 2013 en el camino a Júpiter no produjo una aceleración anómala. [5]

En 2018, un análisis cuidadoso de la trayectoria del presunto asteroide interestelar ʻOumuamua reveló un pequeño exceso de velocidad a medida que se alejaba del Sol. La especulación inicial sugirió que la anomalía se debía a la desgasificación, aunque no se había detectado ninguna. [6]

En la tabla siguiente se proporciona un resumen de algunas naves espaciales con sobrevuelo terrestre. [3] [7]

Artesanía
Datos
Galileo I Galileo II CERCA Cassini Rosetta -IMENSAJERO Rosetta -IIRosetta -IIIJuno Hayabusa2 OSIRIS-REx [8]BepiColombo [9]
Fecha 1990-12-08 1992-12-08 1998-01-23 1999-08-18 2005-03-04 2005-08-02 2007-11-13 2009-11-13 2013-10-09 2015-12-03 2017-09-22 2020-04-10
Velocidad al infinito, km / s 8.949 8.877 6.851 16.01 3.863 4.056 4,7
Velocidad en perigeo , km / s13.738 8.877 12.739 19.03 10.517 10.389 12.49 13.34 14,93 10,3 8.5
Parámetro de impacto , km11261 12850 8973 22680.49 22319 19064
Altitud mínima , km956 303 532 1172 1954 2336 5322 2483 561 [10]3090 [11]17237 12677
Masa de la nave espacial , kg2497.1 2223.0 730.40 4612.1 2895,2 1085,6 2895 2895 ~ 2720 590 4000
Inclinación de la trayectoria al ecuador , grados142,9 138,9 108,0 25,4 144,9 133,1
Ángulo de deflexión, grados 47,46 51,1 66,92 19,66 99,396 94,7 80
Incremento de velocidad al infinito, mm / s 3,92 ± 0,08 −4,60 ± 1,00 13,46 ± 0,13 −2 ± 1 1,82 ± 0,05 0,02 ± 0,01 ~ 0 ~ 0 0 ± 0,8 [5]? ? ?
Incremento de velocidad en el perigeo , mm / s2.560 ± 0.050 -9,200 ± 0,600 7.210 ± 0.0700 −1,700 ± 0,9000 0,670 ± 0,0200 0,008 ± 0,004 ~ 0.000 ± 0.000 −0,004 ± 0,044 ? ? ?
Energía ganada, J / kg 35,1 ± 0,7 92,2 ± 0,9 7,03 ± 0,19 ? ? ?

Una ecuación empírica para el cambio anómalo de la velocidad de sobrevuelo fue propuesta en 2008 por JD Anderson et al .: [12]

donde ω E es la frecuencia angular de la Tierra, R E es el radio de la Tierra y φ i y φ o son los ángulos ecuatoriales de entrada y salida de la nave espacial. Esta fórmula fue derivada más tarde por Jean Paul Mbelek de la relatividad especial, dando lugar a una de las posibles explicaciones del efecto. [13] Sin embargo, esto no considera los residuos de SSN ; consulte "Posibles explicaciones" a continuación.

Ha habido una serie de explicaciones propuestas para la anomalía del sobrevuelo, que incluyen:

  • Una consecuencia postulada del supuesto de que la velocidad de la luz es isótropa en todos los fotogramas, e invariante en el método utilizado para medir la velocidad de las sondas espaciales mediante el efecto Doppler. [14] Los valores anómalos inconsistentes medidos: positivo, nulo o negativo se explican simplemente relajando este supuesto. Durante las maniobras de sobrevuelo, los componentes de la velocidad de la sonda en la dirección del observador V o se derivan del desplazamiento relativo df de la radiofrecuencia f transmitida por la sonda, multiplicado por la velocidad local de la luz c ′ por el efecto Doppler: V { {sub} | o}} = ( gl / f ) c ′. Según la hipótesis de Céspedes-Curé, [15] el movimiento a través de campos de densidad de energía gravitacional variable produce ligeras variaciones del índice de refracción n ′ del espacio y por lo tanto de la velocidad de la luz c ′ lo que conduce a correcciones no contabilizadas de los datos Doppler que son basado en un invariante c . Esto conduce a estimaciones incorrectas de la velocidad o el cambio de energía en la maniobra de sobrevuelo en el marco de referencia de la Tierra.
  • Efecto Doppler transversal no contabilizado, es decir, el desplazamiento al rojo de la fuente de luz con velocidad radial cero y tangencial distinta de cero. [13] Sin embargo, esto no puede explicar la anomalía similar en los datos de alcance.
  • Un halo de materia oscura alrededor de la Tierra. [dieciséis]
  • El impacto de la relatividad general , en su forma de campo débil y linealizada que produce fenómenos gravitomagnéticos como el arrastre de cuadros , también ha sido investigado: [17] resulta ser incapaz de explicar la anomalía del sobrevuelo.
  • La explicación clásica de la gravedad retardada en el tiempo propuesta por Joseph C. Hafele . [18]
Residuos de rango SSN para el sobrevuelo CERCANO con rango, retardo
  • Retardo excesivo proporcional al alcance de la señal de telemetría revelado por los datos del alcance de la Red de Vigilancia Espacial de los Estados Unidos en el sobrevuelo CERCANO. [19] Este retraso, que tiene en cuenta la anomalía en los datos Doppler y de rango, así como las oscilaciones Doppler de seguimiento, dentro de un 10-20%, apunta a modos de chirrido en la recepción debido a la frecuencia Doppler, prediciendo solo una anomalía positiva cuando el seguimiento por DSN se interrumpe alrededor del perigeo, y anomalía cero o negativa si se realiza un seguimiento continuo. No debería ocurrir ninguna anomalía en el Doppler seguido por estaciones que no sean DSN. [20]
  • La acción de una corriente de torsión topológica que predice anomalías de sobrevuelo en dirección retrógrada, pero de efecto nulo cuando las naves espaciales se acercan al planeta en dirección posígrado con respecto al sentido de rotación planetario. [21]
  • El análisis del sobrevuelo de Juno examinó los errores de análisis que podrían imitar la anomalía del sobrevuelo. Descubrieron que se necesitaba un campo de gravedad de alta precisión de al menos 50 × 50 coeficientes para realizar predicciones de sobrevuelo precisas. El uso de un campo de gravedad de menor precisión (como un modelo con coeficientes de 10 × 10, suficiente para el análisis de lanzamiento) produciría un error de velocidad de 4,5 mm / s. [5]

Algunas misiones diseñadas para estudiar la gravedad, como MICROSCOPE y STEP , realizarán mediciones de gravedad extremadamente precisas y pueden arrojar algo de luz sobre la anomalía. [22]

  • Lista de problemas de física sin resolver
  • Dinámica newtoniana modificada
  • Anomalía pionera

  1. ^ "La nave espacial Rosetta de la ESA puede ayudar a desentrañar el misterio cósmico" . Agencia Espacial Europea. 12 de noviembre de 2009 . Consultado el 13 de marzo de 2010 .
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