El problema de medir el tiempo
La clave para realizar viajes interestelares que estaba oculta delante de nuestras narices
El tiempo pasa más lento aquí que viajando con una nave por el espacio a gran velocidad. Medirlo con precisión es clave para la comunicación con las misiones y lo será aún más si queremos llegar todavía más lejos
A día de hoy solo tenemos dos naves que hayan sido capaces de salir del sistema solar y alcanzar el espacio interestelar: las sondas de la NASA Voyager 1 y Voyager 2, que en este momento están a una distancia de la Tierra de unos 24 y 20 mil millones de kilómetros respectivamente. Estas sondas se alejan de nuestro planeta a unos 15 a 17 kilómetros por segundo y pasan cerca de objetos espaciales que les atraen con su gravedad, lo que altera la manera en la que experimentan el paso del tiempo y complica extraordinariamente la navegación y su comunicación con la Tierra. Ahora un nuevo estudio de la NASA propone una nueva manera de medir esas transformaciones temporales entre varios vehículos y evitar errores de navegación en nuestras naves interestelares que las pueden apartar millones de kilómetros de su objetivo.
Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, el tiempo se mueve más lentamente para un objeto que se mueve a altas velocidades en comparación con un objeto estacionario. Esto se conoce como dilatación del tiempo. Además, el mismo autor sugiere en su teoría general de la relatividad que la velocidad del paso del tiempo se ve afectado por la gravedad, lo que se llamó dilatación del tiempo gravitacional. En este caso, el tiempo se mueve más lento en campos gravitacionales más fuertes como los que producen objetos masivos como el Sol.
Por esta razón, un reloj en la superficie de la Luna funciona un poco más rápido que un reloj en la Tierra . Lo mismo pasa con nuestros satélites GPS, que tienen que lidiar con estas variaciones temporales constantemente. Mientras tanto, las naves espaciales como las Voyager tienen que tener en cuenta —además de la velocidad— el impacto que los objetos masivos que se encuentra en su camino tienen en sus relojes.
Los efectos de estas perturbaciones temporales, por pequeños que sean, tienen que introducirse en el software de la nave para ajustarse a los cambios del tiempo. Esto se conoce como transformaciones temporales y sus variaciones tienen que estar perfectamente calculadas en ecuaciones (llamadas transformaciones relativistas del tiempo) para que la nave pueda comunicarse con la Tierra, llevar a cabo sus experimentos científicos y no salirse de la trayectoria programada.
El artículo publicado recientemente por los investigadores del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en el repositorio Arxiv (todavía pendiente de la revisión por pares) propone una nueva manera de calcular las transformaciones temporales en sistemas en los que haya diferentes vehículos como naves o rovers (vehículos exploradores), que serán vitales en las próximas décadas de exploración espacial.
Cómo se calcula un trayecto interestelar
Las ecuaciones con las que se calculan las trayectorias precisas para la navegación espacial tienen en cuenta estas transformaciones temporales, pero para su funcionamiento necesitan partir de un sistema de referencia concreto como es el marco de coordenadas baricéntrico del sistema solar. Este marco utiliza el centro de masas del sistema solar como referencia, un punto geométrico en el espacio que no es fijo, sino que cambia constantemente de posición dependiendo de dónde se encuentren los planetas en sus órbitas. El baricentro del sistema solar puede variar desde estar cerca del centro del Sol hasta estar fuera de su superficie.
Las coordenadas baricéntricas se llevan usando desde hace años y son las que han permitido que naves como las primeras sondas Pioneer de la NASA puedan moverse por el espacio con precisión. Como explica este artículo de Centauri Dreams sobre el tema, la sincronización con los sistemas en la Tierra se produce cuando los datos de una nave espacial se marcan con la hora de las coordenadas baricéntricas para que puedan convertirse a los sistemas horarios terrestres. Todas estas operaciones las supervisa una organización internacional llamada Servicio Internacional de Sistemas de Referencia y Rotación de la Tierra (IERS), que está encargada de mantener los sistemas de tiempo y referencia en su oficina central en el Observatorio de París.
Además de las coordenadas baricéntricas, existen otras escalas de tiempo que se usan para diferentes propósitos, como el Tiempo Universal Coordinado (UTC), el Tiempo Atómico Internacional (TAI), el Tiempo Terrestre (TT), el Tiempo Universal (UT) y el Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB). Cada una de estas escalas de tiempo y transformaciones tienen en cuenta los efectos relativistas y gravitacionales para mantener las observaciones consistentes en diferentes marcos de referencia, como pueden ser la Tierra y una nave interestelar, por ejemplo.
Un nuevo marco temporal
Con la vista puesta en la próxima llegada de los humanos a la Luna y nuestra intención de establecer una base permanente allí, los investigadores de la NASA han propuesto un nuevo Sistema de Referencia de Coordenadas Lunicéntrico (LCRS). Nuestra conquista de la Luna dependerá de una gran cantidad de vehículos, como módulos de aterrizaje, rovers o las naves que se quedan orbitando alrededor de nuestro satélite natural, que tienen que trabajar coordinados para ejercer sus funciones de manera eficiente.
El nuevo estudio aparece poco tiempo después de que la NASA anunciara su intención de crear un estándar de tiempo lunar por encargo de la Casa Blanca. Algo que será clave para la organización y la logística de la próxima misión Artemis III con la que volveremos a la Luna, si es que no se cancela antes
El equipo de investigadores asegura que este sistema de referencia temporal común garantiza una sincronización precisa entre todos estos vehículos y también permite que los sistemas autónomos funcionen manteniendo la comunicación y la transmisión de datos. Además, el LCRS es clave para la navegación. El sistema permite posicionar y mover con precisión los módulos de aterrizaje y los vehículos de exploración, garantizando que las naves aterricen en los lugares programados. Esto, dicen los investigadores, será clave determinar la posición precisa de recursos y permitirá realizar actividades que ya están programadas como la extracción de hielo de los polos lunares.
Sistemas como los que propone la NASA permiten recibir información precisa de la ubicación de las naves a través de estas transformaciones de tiempo y suponen un paso clave para cualquiera de nuestras aventuras espaciales, tanto dentro del sistema solar como fuera de él. El equipo se refiere a todo esto como el establecimiento de un "contexto geoespacial" dentro del cual se puede optimizar la colocación de los instrumentos, pero el trabajo también resulta vital para todo, desde la creación de bases espaciales hasta las herramientas de navegación necesarias para ponerlas en pie.