Labor Lucy: Un problema físico sin resolver pero con soluciones preciosas y eternas | Vano Cósmico

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Lanzamiento de la misión Lucy desde Cabo Cañaveral el 14 de octubre.Bill Ingalls / NASA DISPENSE (EFE)

Hace dos semanas se lanzó la misión Lucy desde Cabo Cañaveral a bordo de un cohete Atlas V, que tiene como objetivo acercarnos a los llamados asteroides troyanos y estudiar sus propiedades. ¿Por qué es tan interesante estudiar estos pequeños objetos? Podríamos hablar de las pistas que nos pueden dar sobre la formación del Sistema Solar, pero hoy vamos a algo más esencial, al problema físico fundamental que nos revela la existencia de los troyanos, un problema con una larga historia.

Johannes Kepler puede considerarse un matemático y un astrónomo, pero no un físico (estelar). Por qué decimos esto? Las leyes de Kepler supusieron una gran revolución en el conocimiento de los planetas y del Sol. Dejando atrás conceptos geocéntricos e incluso heliocéntricos, Kepler pudo elaborar una descripción fenomenológico-matemática muy precisa del comportamiento de las estrellas en el Sistema Solar. Con sus leyes nos reveló claramente que el universo se puede caracterizar mediante las matemáticas, a través de conceptos geométricos como elipses, áreas o funciones periódicas.

Pero, ¿por qué un planeta describe una trayectoria elíptica en su movimiento alrededor del Sol, estando ubicado en un foco, como dice la primera ley? ¿Por qué el cuadrado del período orbital es proporcional al cubo de la distancia media entre las estrellas, según la tercera ley? ¿Son completamente ciertas estas leyes de Kepler? Aquí es cuando podemos seguir la escuela pitagórica y decir que el universo es físico (en lugar de ser descrito por la física), existen leyes físicas que gobiernan esos movimientos keplerianos, y estas son solo una consecuencia de esas leyes físicas. Es la diferencia entre considerar, por un lado, que las cosas se mueven y, por otro, por qué se mueven.

los grieta De la dinámica (clásica) es Sir Isaac Newton, quien con su Ley de Gravitación Universal nos ha dado las razones por las que se mueven las estrellas. La gravedad (que no es una fuerza, pero esa es otra historia) nos permite explicar los orígenes de las leyes de Kepler. ¡Es la física! La física que sigue al universo, y que rige el hecho de que una estrella bajo la acción gravitacional de otra puede moverse en órbitas elípticas (aunque esa no es la única opción). Con la física newtoniana podemos recuperar las ecuaciones de movimiento de dos estrellas, dando un significado físico a las leyes matemáticas de Kepler.

Newton no logró resolver ese problema, llamado problema de los tres cuerpos. ¡Ni él ni nadie más hasta ahora!

Pero en el Sistema Solar no solo existe el Sol y un solo planeta, hay muchos más y el problema es complicado. Incluso si consideramos solo al Sol y la Tierra como los que gobiernan el movimiento de la Luna, no es simple. De hecho, Newton no logró resolver ese problema, llamado problema de los tres cuerpos. ¡Ni él ni nadie más hasta ahora! El problema con los tres cuerpos es que no se ha encontrado forma de obtener ecuaciones (simples o complicadas) que describan el movimiento de tres cuerpos sujetos a una acción gravitacional recíproca. Se dice que no hemos sido capaces de resolver el problema analíticamente, es decir, con una expresión matemática que brinde toda la información sobre el comportamiento futuro del sistema, aunque lo hacemos numéricamente, sobre todo en nuestros tiempos en los que podemos utilizar potentes ordenadores.

Antes de continuar, permítame una consideración más personal. En el mundo científico actual existe otra problemática también denominada dos o más cuerpos, que tiene como origen la precariedad de los trabajos científicos, su globalización y la necesidad de adquirir experiencia y colaborar a lo largo de la carrera con grupos de investigación distribuidos en todo el mundo. La idiosincrasia del científico choca de frente con las expectativas y los planes de vida de las parejas y las familias. Dejemos de lado este problema del trabajo del investigador para centrarnos en el aspecto puramente físico.

Que no se pueda solucionar sin recurrir a ordenadores que aporten soluciones aproximadas no significa que el problema de los tres cuerpos sea un caos indescifrable. Las aproximaciones numéricas (tan precisas como queramos) tienen soluciones valiosas, que el universo ha explotado y de las que también nos beneficiamos.

Uno de los ejemplos llamativos de las soluciones del problema de los tres cuerpos es la existencia de los puntos de Lagrange L, L, a los que se les da nombres del 1 al 5. Consideremos un cuerpo de cierta masa pequeña que se encuentra bajo la acción de la gravedad. de otros dos, mucho más grandes, que forman un (muy particular, lo admitimos) sistema de tres cuerpos. Hay puntos donde ese pequeño cuerpo, un satélite por ejemplo, permanece en una posición estable con respecto a los otros dos cuerpos, por ejemplo, digamos que son la Tierra y el Sol. Que su posición relativa sea estable significa que no lo harán. muévete desde allí y será fácil, por ejemplo, tener una antena de satélite apuntando hacia la Tierra y mantenerla a la vista, de lo contrario se interrumpiría la comunicación y se perdería el satélite.

Esto es exactamente de lo que se beneficiará el Telescopio James Webb (JWST), que estará en el punto L2 del sistema Sol-Tierra, lo que le permitirá mantener con calma su distancia de la Tierra y el Sol y ahorrar energía para permanecer en su órbita. Estar en L2 también es esencial para JWST cuando se trata de apuntar su antena a la Tierra.

El punto L2 está bien, pero no es L3 o L4, donde vives mucho mejor. Si bien L2 es casi estable, L3 y L4 son muy estables, no tiene que hacer nada para permanecer allí. Es como poner una pelota de ping pong dentro de un bol semicircular en comparación con ponerla encima del bol boca abajo, el primero, equivalente a L3 / L4, es mucho más estable que el segundo, análogo a L2. Para JWST el problema es que L3 y L4 están muy lejos de la Tierra, 100 veces más que L2, lo que dificultaría la comunicación, porque la señal sería más débil y porque tardaría más (8 minutos vs 5 segundos) en viajar desde el telescopio a la Tierra y viceversa.

Pero, sin embargo, L4 y L5, esta vez del sistema Júpiter-Sol, es donde no otro cuerpo, sino miles de cuerpos, los asteroides troyanos, viven en paz. Ya estamos en un problema de n cuerpos, se conocen unos 7000 a partir de las observaciones del telescopio desde la Tierra. Sus órbitas son tan estables que pueden permanecer allí durante millones de años, o quizás miles de millones, o incluso más, dándonos información sobre lo que sucedió en los orígenes del Sistema Solar. Es algo que Lucy puede revelarnos cuando llegue y tome sus datos. Tendremos mucho cuidado.

Pablo G. Pérez González Es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Tecnología Aeroespacial (CAB / CSIC-INTA)

Vacío cósmico Es una sección donde nuestro conocimiento del universo se presenta cualitativa y cuantitativamente. Tiene como objetivo explicar la importancia de comprender el cosmos no solo desde un punto de vista científico sino también desde un punto de vista filosófico, social y económico. El nombre «vacío cósmico» se refiere al hecho de que el universo está y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, aunque paradójicamente hay quintillones de átomos por metro cúbico en nuestro entorno. , que nos invita a reflexionar sobre nuestra existencia y la presencia de la vida en el universo. La sección consta de Pablo G. Pérez González, investigadora del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, Catedrático de la Universidad Complutense de Madrid (UCM); Y Eva villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

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