Anomalía de sobrevuelo

La anomalía de sobrevuelo es una discrepancia entre los modelos científicos actuales y el aumento real de velocidad (es decir, el aumento de 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 alcanzan una velocidad mayor a la que los científicos habían predicho, pero hasta el momento no se ha encontrado una explicación convincente. Esta anomalía se ha observado como cambios en la telemetría Doppler y de alcance en las bandas S y X. La mayor discrepancia observada durante un sobrevuelo es mínima: 13,46 mm/s. ^{[ 1 ]} 

Las asistencias gravitacionales son técnicas valiosas para la exploración del Sistema Solar . Dado 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 se rastrean continuamente con gran precisión mediante telemetría terrestre, por ejemplo, a través de la Red del Espacio Profundo (DSN).

La anomalía observada durante el sobrevuelo se detectó por primera vez durante una inspección minuciosa de los datos Doppler de la Red del Espacio Profundo (DSN) poco después del sobrevuelo de la Tierra por la sonda Galileo el 8 de diciembre de 1990. Si bien se esperaba que los residuos Doppler (datos observados menos datos calculados) permanecieran constantes, el análisis reveló un desplazamiento inesperado de 66 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 Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) y la Universidad de Texas no han proporcionado una explicación satisfactoria.  

No se detectó ninguna anomalía de este tipo tras el segundo sobrevuelo de la Tierra por la sonda Galileo en diciembre de 1992, donde la disminución de velocidad medida coincidió con la esperada debido a la resistencia atmosférica a la menor altitud de 303  km. Sin embargo, las estimaciones de la resistencia presentaban amplios márgenes de error, por lo que no se podía descartar una aceleración anómala. ^{[ 2 ]}

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

Un análisis de la sonda MESSENGER (que estudia Mercurio ) no reveló ningún aumento de velocidad inesperado y significativo. Esto podría deberse a que MESSENGER se aproximó y se alejó de la Tierra simétricamente con respecto al ecuador (véanse los datos y la ecuación propuesta a continuación). Esto sugiere que la anomalía podría estar relacionada con la rotación de la Tierra .

En noviembre de 2009, la sonda Rosetta de la ESA fue rastreada de cerca durante su 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 su camino a Júpiter , no produjo ninguna 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. Las especulaciones iniciales sugirieron que la anomalía se debía a la desgasificación, aunque no se había detectado ninguna. ^{[ 6 ]}

A continuación se presenta un resumen de algunas naves espaciales que sobrevolaron la Tierra. ^{[ 3 ] [ 7 ]}

En 2008, JD Anderson et al. propusieron una ecuación empírica para el cambio anómalo de velocidad de sobrevuelo : ^{[ 12 ]}

$${\displaystyle {\frac {dV}{V}}={\frac {2\omega _{\text{E}}R_{\text{E}}(\cos \varphi _{\text{i}}-\cos \varphi _{\text{o}})}{c}},}$$

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 posteriormente por Jean Paul Mbelek a partir de la relatividad especial, lo que dio lugar a una de las posibles explicaciones del efecto. ^{[ 13 ]} Sin embargo, esto no considera los residuos del SSN ; véase «Posibles explicaciones» más adelante.

Se han propuesto varias explicaciones para la anomalía del sobrevuelo, entre ellas:

• Una consecuencia postulada de la suposición de que la velocidad de la luz es isotrópica en todos los sistemas de referencia e invariante en el método utilizado para medir la velocidad de las sondas espaciales mediante el efecto Doppler. ^{[ 14 ]} Los valores anómalos inconsistentes medidos: positivos, nulos o negativos se explican simplemente relajando esta suposición. Durante las maniobras de sobrevuelo, las componentes de velocidad de la sonda en la dirección del observador V _o se derivan del desplazamiento relativo d f de la radiofrecuencia f transmitida por la sonda, multiplicado por la velocidad local de la luz c ′ por el efecto Doppler: V _o = (d f / 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 lleva a correcciones no contabilizadas de los datos Doppler que se basan en una c invariante . Esto conlleva estimaciones incorrectas de la velocidad o del cambio de energía en la maniobra de sobrevuelo en el sistema 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 velocidad 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. ^{[ 16 ]}
• También se ha investigado el impacto de la relatividad general , en su forma linealizada y de campo débil que produce fenómenos gravitomagnéticos como el arrastre de marcos : ^{[ 17 ]} resulta que no puede explicar la anomalía del sobrevuelo.
• Retraso excesivo proporcional al alcance de la señal de telemetría revelado por los datos de alcance de la Red de Vigilancia Espacial de los Estados Unidos en el sobrevuelo NEAR. ^{[ 18 ]} Este retraso, que explica la anomalía tanto en los datos Doppler como en los de alcance, así como las oscilaciones Doppler de arrastre, dentro del 10-20%, apunta a modos chirriantes en la recepción debido a la tasa Doppler, prediciendo una anomalía positiva solo cuando el seguimiento por parte de la DSN se interrumpe alrededor del perigeo, y una anomalía cero o negativa si el seguimiento es continuo. No debería ocurrir ninguna anomalía en el Doppler rastreado por estaciones que no pertenecen a la DSN. ^{[ 19 ]}
• La acción de una corriente de torsión topológica predice anomalías de sobrevuelo en dirección retrógrada, pero efecto nulo cuando la nave espacial se acerca al planeta en dirección prograda con respecto al sentido de rotación planetario. ^{[ 20 ]}
• El análisis del sobrevuelo de Juno examinó los errores de análisis que podrían imitar la anomalía observada. Se determinó que se necesitaba un campo gravitatorio de alta precisión, con al menos 50×50 coeficientes, para obtener predicciones precisas del sobrevuelo. El uso de un campo gravitatorio de menor precisión (como un modelo con 10×10 coeficientes, suficiente para el análisis del lanzamiento) arrojaría un  error de velocidad de 4,5 mm/s. ^{[ 5 ]}

Las misiones satelitales que utilizan el Sistema Global de Navegación por Satélite para determinar posiciones con muy alta precisión podrían, en principio, esclarecer la anomalía. Una misión propuesta, la STE-QUEST (Space–Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), también utilizaría una órbita altamente elíptica ventajosa que debería permitir distinguir una anomalía de sobrevuelo de errores estadísticos en la medición de la trayectoria de vuelo. ^{[ 21 ]} Sin embargo, esta misión no fue seleccionada para su lanzamiento en 2014. ^{[ 22 ]}

• Lista de problemas sin resolver en física
• Dinámica newtoniana modificada
• Anomalía del pionero

• JD Anderson; JG Williams (2001), "Pruebas de largo alcance del principio de equivalencia", Class. Quantum Grav. , 18 (13): 2447– 2456, Bibcode : 2001CQGra..18.2447A , doi : 10.1088/0264-9381/18/13/307 , S2CID 250861959 .
• C. Lämmerzahl; O. Preuss; H. Dittus (2006), "¿Se comprende realmente la física dentro del sistema solar?", Actas del 359.º Seminario WE-Heraeus sobre "Láseres, relojes y sistemas sin resistencia aerodinámica: tecnologías para la exploración espacial futura y pruebas de gravedad" , arXiv : gr-qc/0604052 , Bibcode : 2006gr.qc.....4052L.
• JD Anderson; JK Campbell; MM Nieto (2007), "El proceso de transferencia de energía en sobrevuelos planetarios", New Astronomy , 12 (5): 383–397 , arXiv : astro-ph/0608087 , Bibcode : 2007NewA...12..383A , doi : 10.1016/j.newast.2006.11.004 , S2CID 15913052 .
• La NASA, desconcertada por una fuerza inexplicable que actúa sobre las sondas espaciales (2008), en Space.com .
• JD Anderson; JK Campbell; JE Ekelund; J. Ellis; JF Jordan (2008), "Cambios anómalos en la energía orbital observados durante sobrevuelos de naves espaciales a la Tierra" (PDF) , Phys. Rev. Lett. , 100 (91102) 091102, Bibcode : 2008PhRvL.100i1102A , doi : 10.1103/PhysRevLett.100.091102 , PMID 18352689 , archivado del original (PDF) el 16 de octubre de 2008 .
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• Lämmerzahl, Claus (2008). «¿La anomalía del Pioneer o realmente comprendemos la física del sistema solar?» (pdf; 6,25 MB, presentación/diapositivas) . Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad . Universidad de Bremen. pág.  123.
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