Júpiter y la teoría de la relatividad son los responsables del cambio de curso observado en cuerpos menores del Sistema Solar

El famoso cráter de meteorito Barringer en Arizona, que fue creado por un impacto hace unos 50 000 años. Foto: Colourbox.

¿Qué es lo que Eisntein y Newton han logrado explicar del movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar?

En el caso de los cuerpos del sistema solar que pasan cerca del sol, hay dos efectos importantes que juegan un papel crucial en la evolución orbital. Uno de los efectos es de la relatividad general y el otro efecto es de la teoría newtoniana de la gravitación.  

La predicción de un cambio periódico en la órbita de Mercurio (lo que técnicamente se llama Precesión en la Mecánica Celeste) y la posterior confirmación de este cambio adicional en la órbita a partir de observaciones reales, fue uno de los mayores triunfos de la Teoría de la Relatividad General desarrollada por Einstein hace alrededor de 102 años .

Los planetas que orbitan alrededor del Sol siguen órbitas elípticas (ovaladas) que giran gradualmente con el tiempo (precesión del ábside). La excentricidad de esta elipse y la tasa de precesión de la órbita están exageradas para la mejor visualización. La mayoría de las órbitas en el Sistema Solar tienen una  excentricidad mucho más pequeña y un movimiento de precesión a un ritmo mucho más lento, haciéndolas casi circulares y estacionarias. Crédito: Wikipedia – WillowW. Ver también aquí.

Este es uno de los efectos importantes que se producen en los cuerpos del Sistema Solar que pasan cerca del Sol debido a que las velocidades orbitales aumentan considerablemente cuando los cuerpos se aproximan  al Sol y cuando las velocidades aumentan sustancialmente, los efectos relativistas pueden llegar a ser importante (véase la ilustración de la izquierda).

El otro efecto es debido a las influencias periódicas gravitacionales de Júpiter (técnicamente llamados el mecanismo Kozai en mecánica celeste) de la teoría newtoniana que hacen a la órbita más y más estrecha (o en otras palabras, más y más elíptica) y más cercana al Sol en cada revolución posterior.

Estos efectos gravitacionales graduales de Júpiter  han dado lugar a la producción de algunos excepcionalmente espectaculares “cometas sungrazers” (es decir, los cometas que vienen muy cerca del Sol y por lo tanto son muy brillantes en apariencia desde nuestro planeta) en la historia de la Tierra.

A la derecha:_ El cometa C / 1965 S1 (Ikeya-Seki) fue uno de los cometas más espectaculares en la historia. Foto: Maynard Pittendreigh

El escenario se plantea por primera vez

Los trabajos previos en la ciencia del Sistema Solar han estudiado estos efectos por separado para algunos cuerpos, pero en nuestro estudio actual, nos fijamos en los escenarios interesantes cuando tenemos la combinación de estos dos efectos en los cuerpos del Sistema Solar.

Nuestros cálculos muestran que estas influencias gravitatorias periódicas de Júpiter pueden conducir a aumentos rápidos en los cambios orbitales debido a la Relatividad General, en virtud de que los cuerpos  vienen más cerca del Sol en cada paso sucesivo alrededor del mismo. A veces, los cuerpos pueden tener acercamientos extremos al Sol que a la larga conduce a la colisión con el mismo, inducida por estos efectos periódicos de Júpiter.

Un buen ejemplo que muestra esta propiedad en nuestros estudios es la simulación del cometa 96P  / Machholz 1, que muestra fases que se aproximan rápidamente al Sol y, finalmente cae en el mismo en unos 9.000 años a partir de la actualidad.

Durante su viaje final justo antes de la colisión con el Sol, nos encontramos con que los cambios orbitales debidos a la Relatividad General pueden alcanzar su punto máximo a aproximadamente 60 veces el desplazamiento orbital de Mercurio, que es un valor récord observado en el contexto de los cuerpos del Sistema Solar .

Además, este cometa se somete a un cambio en su dirección orbital de referencia (llamado técnicamente un cambio de inclinación en la Mecánica Celeste) debido a los efectos gravitacionales sistemáticos de Júpiter.

Nuestro estudio presenta por primera vez un ejemplo de un cuerpo del Sistema Solar que muestra de manera clara todos estos efectos y  rasgos previamente mencionados, superpuestos. Esto hace a este estudio nuevo y único respecto a estudios anteriores similares de las órbitas de objetos del Sistema Solar.

A la izquierda:_ Grabado histórico en madera  de la famosa tormenta de meteoros Leónidas de 1833, donde decenas de miles de meteoros por hora volaron. Ilustración: Elsevier / M. Littmann. Agrandar. Más información.

Consecuencias importantes

Por otra parte nos encontramos con que la combinación de ambos  efectos antedichos tienen consecuencias importantes en el ámbito de los estudios de impactos  con la Tierra de los Cuerpos Menores del Sistema Solar. Nuestros cálculos muestran que incluso un pequeño cambio orbital debido a la Relatividad General puede variar en gran medida la distancia órbital más pequeña entre el cuerpo y la Tierra.

Los efectos periódicos de Júpiter pueden aumentar los efectos relativistas generales en algunas órbitas del Sistema Solar. Esto lleva a que los escenarios de aproximación entre los cuerpos del Sistema Solar cambien significativamente.

Esto a su vez juega un papel importante en el estudio y la evaluación de las estimaciones de amenaza de impacto a largo plazo con la Tierra, lo cual si ocurriese puede crear características interesantes y notables como cráteres y tormentas de meteoros en nuestra Tierra.

Nuestro planeta ha sido bombardeado por  diferentes cuerpos del Sistema Solar, de diferentes tamaños  a lo largo de su historia orbital (véase el mapa del cráter a la izquierda) y estas firmas en forma de cráteres actúan como una herramienta crucial para entender la evolución y dinámica de la Tierra (que es el tema de enfoque basado en el CEED UIO).

Arriba a la derecha: Mapa de cráteres conocidos encontrados en la Tierra debido a los impactos de cuerpos del espacio. Ilustración: Stephanie Werner. Agrandar. Ver mapa interactivo.

En busca de amenazas

Los sondeos telescópicos modernos están explorando el cielo continuamente para encontrar objetos del Sistema Solar que podrían estar muy cerca de la Tierra y convertirse en el futuro en una amenaza para la misma.

Las observaciones precisas de hoy, ayudadas por los grandes telescopios en diferentes partes del mundo y los cálculos teóricos detallados aumentados por las instalaciones de supercomputación (como USIT NOTUR un cluster de computación) tienen como objetivo llegar a mejores modelos en el contexto de los estudios a corto plazo y del riesgo de impacto a largo plazo para hacer de la Tierra un lugar más seguro en la perspectiva, más grande, de nuestra existencia.

A la izquierda: El telescopio PS1 PanSTARRS en Hawaii es actualmente el cazador más activo de objetos cercanos a la Tierra. Agrandar. Foto: Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai. 

 Los autores trabajan en CEED (Centro para la Evolución y Dinámica de la Tierra ) en la Universidad de Oslo (UiO). CEED es un Centro de Excelencia, organizado por el Departamento de Ciencias de la Tierra.

Expresiones de gratitud:

Sekhar y Werner agradecen al proyecto “Reloj del Crater” (235.058 / F20) con base en el Centro para la Evolución y Dinámica de la Tierra (a través de los Centros de Excelencia número de proyecto esquema de 223.272 (CEED), financiado por el Consejo de Investigación de Noruega) y USIT UNINETT Sigma2 la asignación de recursos de cómputo a través NOTUR.

El trabajo fue publicado en MNRAS con el título: “Change in General Relativistic Precession Rates due to Lidov-Kozai oscillations in Solar System” – A. Sekhar ,D. J. Asher, S. C. Werner, J. Vaubaillon, G. Li. 

Mon Not R Astron Soc (2017) 468 (2): 1405-1414. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stx548.

 Fuente del artículo: University of Oslo – CEED .   Artículo original: “Jupiter and the Theory of Relativity gets the blame for celestial bodies changing course” , Aswin Sekhar and Stephanie Werner, University of Oslo, April, 2017.

Material relacionado:

El lector curioso se preguntará qué sucederá con la órbita de un objeto entorno a un cuerpo masivo cercano, cuando en lugar del Sol, consideramos una estrella supermasiva o mejor aún el caso extremo de un agüjero negro supermasivo, situación en que el efecto relativista es mucho mayor: efectivamente, sucede algo novedoso según lo explica el siguiente artículo:

• • Black Hole Orbits: Zoom-Whirls and Four-Leaf Clovers, Astrobites. Comentary by Lisa Drummond, of the Paper:  A periodic table for black hole orbits, by  Janna Levin and Gabe Perez-Giz. 2017.

  • Gravitación, IAC – Cosmo Educa.   Relatividad,  IAC – Cosmo Educa.

  • La historia de Mercurio y Vulcano, como la explicó Einstein, por Christiana Pantelidou (ICCUB) .

  • The Theory of Mercury’s Anomalous Precession. Roger A. Rydin. Natural Philosophy Alliance, (2011). 

  • What is the General relativity?. David Tong. PlusMath Magazine.

  • Outer space: A matter of gravity, John D. Barrow – PlusMath Magazine.

• • What does Gravity Works? – Marianne Freiberger – PlusMath Magazine.

  • Catching Waves with Kip Thorne –  PlusMath Magazine.

• • Einstein’s genius changed science’s perception of gravity, TOM SIEGFRIED, Science News.

• The General Theory of Relativity, David M. Harrison, University of Toronto.

• The Physics of The Universe: Space – Time Physics – Luke Mastin.

• Einstein Online, Max Planck Institute for Gravitational Physics, Golm/Potsdam. Es el sitio de referencia en el tema.

• The Renewal of Einstein’s Theory of Relativity in the Post-War Era, Alexander Blum – Max Planck Institute for the History of Science.

• One Hundred Years of Gravitational Waves –  Alexander Blum, Roberto Lalli, Jürgen Renn – Max Planck Institute for the History of Science.

• Einstein, Edición Especial : 100 Años de la Relatividad General – Revista Investigación y Ciencia, Nov. 2015. Disponible en Timbó.

• Centre de Physique Cosmologique de Paris (PCCP) sitio que que trata exhaustivamente el tema Gravedad y muestra sus implicancias cosmológicas, fundado por el excepcional científico Dr. Pierre Binétruy, lamentablemente desaprecido este 1º de Abril pasado.

Artículos sobre Gravedad y Relatividad en las revistas:

• Sky&Telescope

• Astronomy Magazine

• Astrobiology Magazine

• Scientific American

• Sky at Night

• Astronomy Now

• Nature

• Science

Libros:

        Introductorios:

• The Hunt for Vulcan: How Albert Einstein Destroyed a Planet and Deciphered the Universe, Thomas Levenson, MIT – Random House (November 3, 2015). Look a review.

• Relatividad para principiantes, Shahen Hacyan, Biblioteca ILCE. 

• El tiempo, el espacio y el tío Albert. Russell Stannard  – Celeste Ediciones. 1993. (Para liceales). Se consigue de segunda mano en mercados de Europa.

• Los agujeros negros y el tío Albert.  Russell Stannard  – Celeste Ediciones. 1993. (Para liceales). Se consigue de segunda mano en mercados de Europa.

• The New World of Mr Tompkins,  George Gamow, updated and expanded by Russell Stannard , Cambridge University Press, 2001. Una obra clásica de divulgavión.

• Mr Tompkins in Paperback, George Gamow with the contribution of  Sir Roger Penrose, Cambridge University Press, March 2012.

• La Física, Aventura del Pensamiento, A. Einstein Premio Nobel de Física y Leopold Ingfeld, Editorial Losada    . Es la versión en Castellano del libro: “The Evolution of Physics“

• Cosmic Odyssey,  Jean Heidmann, Observatoire de Paris, Cambridge University Press, 2009.

• Archives of the Universe: 100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos. – Marcia Bartusiak, MIT. – Vintage, 2006.

• Brevísima Historia del Tiempo, Stephen Hawking,  Leonard Mlodinow – Editorial Crítica ,2015. Es la versión moderna, simplificada de ” Historia del Tiempo“

• El Significado de la Relatividad, A. Einstein,   Premio Nobel de Física – Editorial Austral. Es la versión en Castellano del libro: “The Meaning of Relativity“.

• Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time (2000) – Marcia Bartusiak, MIT – Joseph Henry Press; 1st edition (December 15, 2000).

• Black Hole –  Marcia Bartusiak, MIT. – Yale University Press, April 2015.

• Un viaje por la gravedad y el espacio-tiempo. –  John Archibald Wheeler – Editorial  Alianza, 1994.

• Libros de texto universitarios introductorios clásicos:

• Space – Time Physics – Edwin F. Taylor, John Archibald Wheeler, New York, W. H. Freeman and Co., Second edition 1992. (Libro Clásico de referencia de introducción en el tema)

• Gravity: An Introduction of Einstein’s Theory of General Relativity, J. Hartle, Addison Wesley, 2003.

        LIbros clásicos de carácter avanzado:

• Gravitation and Cosmology, Steven Weinberg,  Premio Nobel de Física(1979), John Wiley & Sons; Edición: 1, (28 de julio de 1972).

• Gravitation, C. Misner, Kip Thorne, John Archibald Wheeler, Princeton University Press, Oct. , 2017, a new edition.

• Lectures on Gravitation (Frontiers in Physics) – Richard Feynman,  Premio Nobel de Física 1965.

• The Large Scale structure of Space -Time, Stephen Hawking and George Ellis –  Cambridge University Press Monographs in Mathematical Physics, 1973.

• A First course in General Relativity, B. Schutz, Cambridge University Press, 2009 new edition.

• Lectures on General Relativity, Gerard ‘t Hooft, Premio Nobel de Física 1999- Institute for Theoretical Physics Utrecht University and Spinoza Institute.

• Lectures Notes in General Relativity, Sean M. Carrol – Walter Burke Institute for Theoretical Physics, Calthec, 2002.

       Otros libros:

• Springer Handbook of Spacetime,  Abhay Ashtekar,Vesselin Petkov, Springer, 2014. Disponible en Timbó

• A Hombros de Gigantes, Stephen Hawking, Editorial Crítica, 2010.

• Newton’s Gravity: An Introductory Guide to the Mechanics of the Universe. –  Douglas W. MacDougal, Springer, 2012. Disponible en Timbó.

• Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century,  Helge Kragh, Princeton University Press, 2002.

• Understanding Space Time. The Phylosphical devellopment of Physics from Newton to Einstein, Robert Disalle, University of Western Ontario –  Cambridge University Press, 2006.

• El Futuro del Espacio Tiempo, Stephen Hawking, Editorial Crítica, 2003, 2016. Este libro es la recopilación de  ensayos y charlas de los científicos que intervinieron en la celebración del Festival Kip en Caltech a principios de Junio de 2000, con motivo del cumpleaños 60 de Kip Thorne. 

• General Relativity and John Archibald Wheeler, Ignazio Ciufolini, Richard A. Matzner, Astrophysics and Space Science Library Vol. 367, Springer, 2010. Disponible en Timbó.

• Gravitational Physics: Exploring the Structure of Space and Time, National Research Council; Board on Physics and Astronomy; Committee on Gravitational Physics,The National Academies Press.

Sobre  los objetos cercanos a la Tierra y los impactos en la misma, vea el apartado “Material relacionado” de los siguientes  artículos:

• El asteroide cercano a la Tierra, 2016 LT1 hará hoy 7 de Junio, un pasaje muy cercano a la Tierra . AAA.

• Núcleos del cráter Chicxulub relacionado con la desaparición de los Dinosaurios, validan la teroría de impacto. AAA.

• Los Dinosaurios ya estaban declinando antes del Apocalipsis provocado por el asteroide.  AAA.

• Eath Impact Database, PASSC.

Sobre las Lluvias de Meteoros:

• International Meteor Organization. Es el sitio de referencia.

• American Meteor Society  

• Meteors Showers Online. Sitio del reconocido experto Gary W. Kronk.

• Meteor Showers and their Parent Comets,  Peter Jenniskens, The SETI Institute,Cambridge University Press, 2006. Es el libro de referencia.

• Meteor Showers, An Annotated Catalog,  Gary W. Kronk, The Patrick Moore Practical Astronomy Series, Springer, 2014.

• David Levy’s Guide to Observing Meteor Showers,  David H. Levy, Jarnac Observatory, Cambridge University Press, 2007.

Videos:

Documentales y películas:

• Einstein, Película en Español. 

• Vida de un Genio: Albert Einstein, Documental.

• Albert Einstein Documentary, ScienceNET, 2014.

• The True Nature of Time, BBC Four,Documentary, 2015.

• Gravity and Me, The Force that Shapes Our Lives – Prof. Jim Al-Khalili – BBC Documentary,  (2017).

• The Illusion of Time (Fabric of the Cosmos), NOVA HD, Documentary.

• Einstein and the Mystery of Space and Time –Aerospace Engineering, Documentary 2016.

• The Mysterious Orbit of Mercury –  Neil deGrasse Tyson,  The Great Courses, 2012.

• Gravity, Documentary, Discovery Chanel, 2016.

Conferencias y Charlas públicas:

• The Theory of Mercury’s Anomalous Precession and Correct Orbit Computation, by Roger Rydin. Natural Philosophy Alliance Conference in Baltimore, 2014.

• Cien años curvando el espacio-tiempo, Dr.Alberto Aparici – Conferencia en la UNIR, Febrero, 2015.

• El Universo Curvo: del Big Bang a los Agujeros Negros y las Ondas Gravitatorias” – Prof. Dr. Kip Thorne, Ciclo de Conferencias de Astrofísicia y Cosmología de la Fundación BBVA, Abril, 2013. 

• Gravitation: From Galileo to Einstein and Beyond – Eugenio Coccia – Montclair State University – Sokol Lecture Fall 2009.

• From Newtonian Gravity to Einstein’s Theory of General Relativity, Andrew J. Tolley, CASE Western Reserve University, Dec. 2015

• History of General Relativity – Michel Janssen – Institute for Advanced Studies and Princeton University, Nov., 2015.

• What is Space-Time?,  Kip Thorne, Calthec, 2013.

• Einstein’s General Relativity, from 1905 to 2005 – Kip Thorne, Calthec, 2005.

• Rethinking Reality: Space, Time and Gravity, Dr. Samuel E. Gralla ,The University of Arizona College of Science, 2017.

• “Heart of darkness: General Relativity @ 100” by Roberto Emparan, ICCUB, June 2015.

• Brian Greene Hosts: Reality Since Einstein, Gabriela González, Samir Mathur, Andrew Strominger, Cumrun Vafa, Steven Weinberg,  World Science Festival , July, 2015.

• Time Since Einstein –  David Z. Albert, Fotini Markopoulou-Kalamara, George Ellis, Michael Heller, Sir Roger Penrose, World Science Festival, Sept. 2014.

• Einstein’s Amazing Theory of Gravity: Black Holes and Novel Ideas in Cosmology,  Sir Roger Penrose –Mathematical Festival at The Science Museum, London – London Mathematical Society, 2016.

• 100 Years of Einstein’s Relativity (And How it Underlies Our Modern Understanding of the Universe), Dr. Jeffrey Bennett  – Silicon Valley Astronmy Lectures Series, May 2015.

• Gravity, Geometry, Philosophy: 100 Years in Einstein’s Universe –  Robert DiSalle – Rotman Institute of Philosophy, 2015.

• A Century of General Relativity,  International Conference, 30 Nov – 5 Dec. 2015 –  Max Planck Institute for the History of Science – Media Library. Contiene las disertaciones del evento.

• The Character of Physical Law – Part 1 The Law of Gravitation – Richard Feynman,Premio Nobel de Física(1965),  – Lectures at Cornell University, Tinkerin’ Thinkers.