Serie “Cómo funciona el cosmos”. Capitulo tercero Órbitas de Hohman

En la primera entrada de esta serie hablábamos sobre estar en órbita. Todos nuestros viajes espaciales empiezan ahí, da igual si nos quedamos en orbita o, en el mismo impulso alcanzamos la orbita y seguimos a otro planeta o la luna.

Para hacerlo todo más sencillos, nos quedaremos en el sistema Tierra-Luna. Imaginemos que queremos ir a la luna. No “apuntamos”, disparamos un misil de 3000Tn y listo… no es tan sencillo.

Para empezar, debemos recordar que no flotamos en el espacio, estamos en orbita circular (circular por simplificar). Si encendemos el motor de la nave, la órbita se convertirá en una elipse. El punto más cercano será de donde partimos y el punto más lejano es donde queremos llegar.

Veámonoslo en la imagen inferior:

Órbitas de Hohman

Archivo:Hohmann transfer orbit.svg – Wikipedia, la enciclopedia libre

Estamos en orbita en la tierra (línea verde). Para ir a la luna, teneos que cambiar la forma de la órbita, con un impulso la convertimos en la amarilla. Hay que acelerar lo justo para que el máximo llegue al punto de destino. Si no hacemos nada más, tras pasar por la luna, volveríamos a casa (Trayectoria de retorno libre, ya hablaremos más sobre ello). Pero como lo que queremos es quedarnos debemos volver a encender los motores. En el dibujo no esta la luna, asique lo que hace es volver a acelerar para mantener la orbita roja. Si en lugar de “subir la órbita”, queremos quedarnos en la órbita de la luna, lo que debemos hacer en este punto es “frenar” para que nos atrape la gravedad de la luna en este caso:


W. David Woods. “How Apollo flew to the Moon”

Tras la pequeña orbita alrededor de la tierra (Earth), alcanzamos el punto de impulso TLI (¡al otro lado de la Tierra!), dejamos la óribita inicial para entrar en una órbita que llega hasta la Luna, después el punto de frenada LOI (al otro lado de la Luna) y lo que más me impresiona, las posiciones de la Tierra y Luna en el momento del lanzamiento y de la llegada.

Lo mejor de todo es que “disparan” no donde está la Luna, si no donde va a estar… ¡3 días después!

Si la luna no estuviese ahí y su gravedad no capturase la nave, vemos la trayectoria de vuelta en discontinua, en este caso no hace falta ningún impulso extra, solo frenar al llegar a casa para no volver a irnos tan lejos.

En el caso de abajo vemos que no frenamos y la gravedad de la luna no retiene la nave.


W. David Woods. “How Apollo flew to the Moon”

Esta mecánica es aplicable a cualesquiera de los cuerpos, normalmente la tierra y el destino, pero se puede complicar tanto como queramos e ir viajando de cuerpo en cuerpo del sistema solar, como las Voyager en su día.

Aunque hay órbitas más “estrechas” y por lo tanto más directas, requieren de más velocidad y por lo tanto de más energía. Las órbitas de Hohman, son las de menor energía, por lo que si no tenemos prisa, son las más interesantes para nuestro viaje. Esta es una pequeña aproximación a los que es la mecánica orbital, o como vamos de un sitio a otro en el espacio.

Mi consejo, cuando veas películas en la que las naves luchan entre sí con movimientos propios de los aviones, ya sabes que no es así como se mueven realmente, desconfía de Hollywood.

Interceptor de meteoritos

Una de las cosas más interesantes de la inteligencia es la capacidad de estudiar el pasado, escribirlo con las pistas que nos deja el tiempo y tener la capacidad de previsión para el futuro. Nosotros, como especie inteligente, tenemos estas capacidades.

Sabemos que ha habido al menos 5 extinciones masivas a lo largo de la historia, algunas han acabado con más del 90% de los seres vivos del planeta en ese momento. Ha pasado y volverá a pasar. El tiempo es algo muy subjetivo, nuestra vida es a penas un suspiro en tiempo cósmico, y todo nos parece muy estable, pero no lo es.

Los volcanes, cambios del clima o grandes meteoritos, son fenómenos que alteran en poco tiempo el entorno, provocando desequilibrios en la naturaleza y las extinciones masivas. Organismos perfectamente preparados para su entorno, dejan de estarlo. El entorno ha cambiado.

Poco podemos hacer, más que saber que va a pasar, con nuestra inteligencia y tecnología, salvo para una de esas amenazas. La caída de un meteorito.

Si vemos los números, la probabilidad es pequeñas ¿por qué preocuparse? La probabilidad hoy es pequeña, pero en tiempo cósmico es del 100%. Es seguro que caerá un meteorito devastador, lo que no sabemos es cuando. Siendo conscientes de ello, muchas agencias espaciales estudian los NEAs (Near Earth Asteroids) que son aquellos que se aproximan a la tierra y cuyas órbitas están entre 0,7 y 1,3 veces la distancia al Sol. Muchos de ellos se mueven cruzando la orbita de la tierra. Su número es desconocido, pero se conocen 1.000 con diámetros de más de 30 km. Si bajamos el diámetro a 1000 metros, puede haber unos 20.000. Cuanto más pequeños son, más hay, y más difícil es encontrarlos y seguirlos. Aquellos que se acercan a menos de 0.05 UA o 7.5 millones de kilómetros, son los asteroides potencialmente peligroso o PHA (siglas en inglés de potentially hazardous asteroid)

Ilustración de un meteorito acercandose a la tierra.
La caida de un meteorito es una de las catastrofes que podemos evitar, con planificación y tiempo.

Hay otro problema, los que no conocemos. Hay objetos que nos visitan cada 1000, 2000, o 20000 años, los cometas o los asteroides de periodo largo y que no sabemos que existen porque, desde que tenemos registros, no han pasado ni están catalogados.

Esto se sabe desde hace tiempo y cada año de descubren y catalogan más objetos potencialmente peligrosos, sin embargo, aunque tenemos la tecnología, no existe un plan consistente para rechazar un objeto peligroso. En las películas catastrofistas que hemos visto, montan rápidamente una expedición para salvar la tierra, pero esto no es algo que se pueda hacer por la fuerza bruta y en poco tiempo.

Sin embargo, esto ha cambiado. Del 11 al 13 de septiembre, se reunieron en Roma más de 130 científicos de la NASA y la ESA para poner en marcha el proyecto HERA, que es una misión para probar desviar un asteroide mediante el impacto de una sonda.

Hay varios métodos para cambiar la trayectoria de un asteroide, todos requieren tiempo, ya que la energía para poder desviarlo a, digamos, la distancia de la luna es mucha. Sin embargo, moverlo un centímetro, cuando esta muy lejos, hará que se desvíe lo suficiente para cuando llegue a la tierra.

Los métodos, aunque te suenen muy descabellados son, por ejemplo, desviarlo mediante un pequeño empujón, o impacto. Desviarlo mediante la atracción gravitatoria de una sonda su alrededor, que irá corrigiendo su posición para moverlo… muy muy muy muy poquito. Otro método es usar el efecto Yarkovsky, y este método es la bomba.

Resulta que el ingeniero polaco Ivan Osipovich Yarkovsky  (1844–1902) calculó que si un cuerpo pequeño, hasta unos 10 km, no es uniforme en su superficie, hay unas partes que absorben y desprenden más energía procedente de la luz del sol que otras. Al emitir esa energía, se crea un desequilibrio en la emisión, algo así como un pequeño propulsor que se recarga cuando mira al sol y se descarga en la sombra… asique al final, la trayectoria se modifica por este pequeño empuje. ¿Y como usamos eso en nuestro beneficio? Fácil, pintando un asteroide con los colores que nos interese, eso sí, muuuucho tiempo antes de que llegue, recordemos que el empuje es muy pequeño y necesitamos tiempo. Lo malo, hay que ir allí con mucha pintura, a más pintura, más combustible.

Ilustración del efecto Yarkovsky
Efecto Yarkovsky. Wikipedia

La conclusión es que necesitamos conocer con gran exactitud la órbita de cada objeto, así podremos anticipar los acercamientos y trabajar durante meses o años para poder desplazar el objeto lo justo para que evitar la colisión. El otro problema es tener preparada una misión espacial y no perder la oportunidad de desviar el objeto peligroso.

Mientras escribía estas líneas se ha hecho público, según publica Daniel Marín en Eureka, que la nasa ha aprobado una misión para buscar asteroides potencialmente peligrosos (PHA) y NEAs. La NASA lanzará esta sonda al punto de Lagrange L1 y esperan detectar el 90% de los objetos de más de 140 metros.

Telescopio de infrarrojos NEOSM de la NASA
Telescopio Infrarrojo NEOSM. NASA

Esperemos que sea un éxito y tengamos nuestro entorno algo más controlado.

Ráfagas rápidas de radio ¿señales extraterrestres?

Según publicó el 9 de septiembre la agencia Xinhuanet, el Radio Telescopio de 500 metros de Apertura Esférica (FAST en inglés), captó en pocos días entre agosto y septiembre, más de 100 Ráfagas Rápidas de Radio. ¿Qué son y qué tienen de interesante?

Radio Telescopio de Apertura Esférica (FAST). XINHUANET

Las Ráfagas Rápidas de Radio o FRB en inglés, son un fenómeno astrofísico de gran energía que emite muy rápido en ondas de radio. Por ello se pueden detectar, aunque provengan de fuentes muy lejanas. El problema es que duran muy poco, del orden de milisegundos.

Las primeras señales FRB se detectaron en 2007 y su origen sigue siendo un misterio. Se encontraron mientras se analizaban datos de púlsares. Aunque son muy energéticas en origen, cuando alcanzan la tierra tiene la misma fuerza que la transmisión de un móvil desde la luna. Hasta ahora se habían registrado unas 100, por lo que su número total conocido debe rondar las 200.

El problema que tenemos, de entrada, es que se conocen casos aislados. Desde que se encontró la primera, se han dispuesto más medios para registrar otras, pero no tenemos datos como para generar una hipótesis consistente sobre qué las causa.

Lo que es seguro es que todas las ráfagas provienen de fuentes fuera de la galaxia. De todas las que se han registrado, tres provienen de fuentes repetitivas, lo que permitirá, estudiando más casos, consolidar alguna hipótesis de su origen.

Sin entrar en detalles sobre su duración e intensidad, es cierto que puede haber multitud de fuentes naturales que las generen, pero también existe la posibilidad de que sean de origen tecnológico, es decir, de una civilización extraterrestre.

Según publican The Astrophysical Journal Letters (ApJL) las ráfagas rápidas de radio podrían usarse para propulsar una vela de luz. ¿Qué es una vela de luz?

Unos de los impedimentos que tenemos para viajar a sitios lejanos es la velocidad que podemos alcanzar. Si queremos acelerar más tiempo, necesitamos más combustible y para tener mas combustible, necesitamos cohetes mas grandes que lo puedan llevar y a su vez más combustible para llevarlo… y, en cualquier caso, da igual lo grande que sea el cohete, el combustible se acabará y dejaremos de acelerar.

Vela Laser, en este caso (Breakthrough Starshot).

Si en lugar de combustible nos propulsamos con una vela, no necesitamos llevarlo con nosotros, además, en el espacio no hay rozamiento, asique un viento constante nos da una aceleración constante, por lo que en unos años, tendríamos objetos viajando a un cuarto de la velocidad de la luz.

Tenemos un gran problema, que en el espacio no hay viento, tal y como lo conocemos. Realmente si que hay un viento, el viento solar, que no son más que pequeñas partículas emitidas por el Sol. El problema es que este viento se debilita con la distancia, por lo que solo vale para impulsar una vela (como la de los barcos, pero de materiales mas molones y aspecto de papel de aluminio) y solo vale para alejarse del Sol.

No parece muy apropiada para salir del sistema solar, para eso tenemos otras velas que funcionan con la luz solar (idéntico problema) o con láseres proyectados desde la tierra. Esta solución es óptima, podemos generar el láser que queramos sin preocuparnos por el peso, ya que el equipo esta en tierra, apuntamos a la vela, disparamos y, ¡et voila!, empuje sin combustible.

Aunque te chirríe en la cabeza, se puede cambiar el láser, por una Ráfaga Rápida de Radio y, con un material adecuado, causa el mismo efecto.

Por supuesto no es lo mismo una luz que otra, ni una frecuencia que otra, y aquí viene lo inquietante, los parámetros de las Ráfagas Rápidas de Radio coinciden con los óptimos para propulsar una vela de luz… (¿o de radio?). Y el hecho de que sean rápidas y focalizadas refuerzan esta teoría.

Si quisiésemos impulsar una vela de luz, apuntaríamos el láser, máser o lo que sea, y dispararíamos a la vela, solo si fallamos, el haz seguiría hasta otro planeta (que esté en su misma línea), por eso no se detectarían demasiadas, ni serían de gran duración, no se gasta energía disparando a la nada…

Aunque es inquietante, es solo una teoría. Necesitamos más datos para saber de que se trata. Mi consejo, si miras al cielo esta noche (o de día, quien sabe) sonríe, quizá salgas en las fotos que un velero estelar está haciendo de camino a nosotros.

Choques entre satélites

La posibilidad de un choque entre dos satélites siempre está ahí. El espacio es muy, muy grande y caben muchos satélites. La posibilidad de choques es mínima, teniendo en cuenta que las orbitas están a alturas diferentes y no suelen cruzarse. Bueno, cruzar si, a diferente altura, más bien no suelen intersecar, es decir, se cortan en el mismo punto.

Aún así existen unas distancias de seguridad para evitar estas colisiones, que no solo acaban con los satélites siniestrados, si no que además llenan la orbita de pequeñas “balas” a 27000 km/h que además no tienen control y pueden producir otros accidentes en cadena.

Evitar esto es muy importante, más aún cuando se esta llenando la orbita de miles de satélites (como ya comentamos aquí). Cuando estos satélites acaban su vida útil o fallan, o se quedan sin combustible para maniobrar, quedan en su órbita hasta que caen, con suerte, o se quedan allí para siempre.

Satelite de la constalación Starlink de SpaceX
Satélite Starlink de SpaceX, al fonde se ve un «hermano de éste». (Spacenews.com)

Todo esto no es nuevo, pero lo que si es nuevo es que una agencia de la importancia de la Agencia Espacial Europea (ESA por sus siglas en inglés), tenga que maniobrar para esquivar un satélite, en este caso de la constalación StarLink de Space X, de la que ya hemos hablado un par de veces (aquí y aquí)

trayectoria de colisión satrlink SpaceX y aeolus ESA
Trayectorias y punto de aproximación de ambos satélites. (Spacenews.com)

Según hemos sabido por el portal Spacenews, la ESA ha publicado una serie de twits para comunicar que ha maniobrado un satélite para evitar una colisión. Aunque es muy de película, esto sucede más veces de los que nos creemos.

El afectado ha sido el satélite Aeolus, construido para la observación de la tierra con fines científicos, en especial atmosféricos. El otro artefacto involucrado es, según la ESA, el Starlink 44.

El incidente se ha dado a conocer el 3 de septiembre, aunque el aviso llegó antes. Se puso en conocimiento de SpaceX y ante el aumento de la probabilidad de colisión hasta el umbral de decisión, se decidió hacer la maniobra.

Aunque según citan, la probabilidad de colisión era de 1 entre 50000 en el momento del aviso, esta aumentó hasta 1 entre 1000 y la seguridad es lo primero.

Ni la ESA ni SpaceX han dado más datos al respecto y no sabemos cuánto se han aproximado entre sí. Pero quien si puede darnos datos al respecto es SOCRATES, no el filósofo, si no la Satellite Orbital Conjunction Reports Assessing Threatening Encounters in Space (un acrónimo impecable). SOCRATES se dedica a monitorizar los que hay en espacio de modo civil. Seguramente las agencias espaciales tienen sus propios medios, pero este se puede consultar.

Al parecer, según esta web, el máximo acercamiento de ambos fue de 4 km a una velocidad de 14.4 km/s. Según esta web han existido acercamientos más “peliagudos” a tan solo 65 metros…

La constelación Starlink, o la parte que hay en órbita, ya ha alcanzado su altura de servicio, por lo que sus orbitas estarán mejor controladas. En los próximos meses SpaceX va a deorbitar un par de satélites para verificar el funcionamiento de sus motores.

La enseñanza de todo esto es que una alerta se ha tramitado mediante unos correos electrónicos y una maniobra, pero no existen protocolos de comunicación entre empresas y agencias para evitar estos choques y el tráfico de satélites va en aumento.

Cuidado, yo soy pro satélites, no me quejo, es bueno que prolifere la industria espacial, pero es cierto que falta una regulación internacional y una forma de comunicarse. Hay catálogos diferentes para numerar los objetos en órbita, como ejemplos, el USA 240, el COSMOS 1358 o el NORAD 13161. También hay lanzamientos secretos (que se pueden ver fácilmente) y cargas secundarias, es decir, un satélite que viaje junto a otro más grande o un satélite que lanza otro satélite tiempo después, intentando eludir a los aficionados que los detectan y describen sus orbitas.

Otro gran problema son las últimas etapas de los cohetes que se quedan en órbita… Teniendo en cuenta que el 90% de lo que “flota” ahí fuera, son residuos o satélites apagados, no hay a penas control sobre la mayoría de los artefactos peligrosos, y esta cifra irá en aumento.

Cuando recorres 42000 km cada 90 min, acercase a 4 km de otro satélite es mucho. Si pensamos que entre uno y tres vehículos espaciales pueden estar ocupados por astronautas al mismo tiempo en órbita, es un riesgo que no merece la pena tomar.

Mi consejo, esta vez para la comunidad internacional, es crear un punto SIG-SAT de satélites y pagar la tasa para su posterior recogida a cargo de una agencia o empresa privada que cobre por ello, el espacio es infinito, pero el espacio útil de la órbita no, y dentro de poco querremos usarlo como turistas, con algo de seguridad, claro.

Serie “Cómo funciona el cosmos”. Capitulo segundo: Cómo sabemos que el universo se expande

Cómo sabemos que el universo se expande es una pregunta recurrente para las personas que están empezando a entrar en contacto con este mundillo. Para empezar, recordemos que todo esto empieza con la observación de cuerpos lejanos. Edwin Hubble realiza una publicación en 1929 sobre el movimiento de las nebulosas, concluyendo que la mayoría de ellas presentaban corrimientos al rojo. ¿Qué significa esto?

Antes de explicar que es el corrimiento al rojo debemos recordar el efecto Doppler. Todos hemos oído, y nos lo han explicado en el cole, que las sirenas de las ambulancias se oyen de forma distinta cuando se acercan y cuando se alejan. Este efecto se produce porque el sonido es una onda. Si la onda es amplia el sonido es grave, si es estrecha, el sonido es agudo. Piensa en la moto que viene lejos en una noche de verano con la ventana abierta. El sonido se acerca, es agudo, cuando se aleja se torna grave de repente. El ruido del motor siempre es el mismo pero el primer sonido tiene ondas de mucha frecuencia (si las pintamos son estrechas) y al alejarse son ondas de poca frecuencia (anchas).

¿Cómo es posible? Es sencillo, el sonido tiene una velocidad determinada de propagación (vamos a llamarla pequeña en comparación con otras cosas). Un coche, una moto, puede fácilmente ir al 10 o 15% de esta velocidad (si el conductor es algo más irresponsable, incluso al 20%). La onda se propaga más rápido, pero empieza a propagarse cuando el cuerpo se está moviendo. Si la onda y el cuerpo se acercan a nosotros, el emisor está “empujando la onda” al emitirla, por lo que la comprime (se hace estrecha), por lo tanto, se agudiza y pasa lo contrario si se aleja, la estira y se agrava.

Con la luz pasa lo mismo, salvo que la luz sí que se expande en el espacio vacío. La luz es una onda electromagnética y como onda “padece” igual el efecto Doppler. Por supuesto, en el caso de la velocidad de la luz, debemos observar cuerpos muy rápidos para notar este efecto. En el Cosmos todo es muy, muy (todos los muis que quieras decir serán pocos) grande y todo ocurre a escalas que cuesta imaginar. El movimiento de por ejemplo entre dos galaxias, como la Vía Láctea y Andrómeda es de 300 km/s referida al Sol, esto es que depende del punto en el que está el sol, pero es en cualquier caso enorme. Aun así, su corrimiento al rojo es de -0,001001 que parece un valor pequeño.

Al mirar a objetos lejanos, muy lejanos, observamos que, en general, este corrimiento al rojo es mayor. El valor del corrimiento al rojo de la galaxia EGS8p7, la más lejana encontrada hasta ahora, dada a conocer en la revista Astrophysical Journal Letter, es de 8,68.

Cuando Georges Lemaître publicó en 1927 la teoría, su estudio se basaba en las leyes de Einstein y en observaciones de varios astrónomos. Su trabajo pasó desapercibido. Poco después, en 1929, Edwin Hubble publicó su teoría apoyada en las observaciones que había realizado desde el observatorio de Monte Wilson. Aquí fue donde, con un estudio de objetos lejanos (en aquella época objetos de fuera de la Vía Láctea), Hubble establece la relación entre la distancia de un objeto y el corrimiento al rojo.

Las observaciones decían que cuanto más lejos estaba un objeto, mayor corrimiento al rojo tiene. Esto demuestra, no que los objetos se alejan entre si, ya que ese caso todos tendrían corrimientos al rojo similares o dependientes de su dirección de movimiento a cualquier distancia. Sin embargo, que esté estrechamente relacionada la distancia con el valor de corrimiento al rojo, demuestra que es el universo el que se expande, no las galaxias las que se mueven alejándose. Es la conocida como ley de Hubble–Lemaître.

Ahora podemos distinguir dos valores de movimiento de los objetos, el movimiento propio de estrellas y galaxias entre sí, y el de la expansión del universo. Hay que destacar que la expansión del universo no significa que las galaxias se muevan hacia afuera para llenar un espacio vacío, no. Esto significa que es el propio espacio vacío el que crece y en su expansión arrastra su contenido haciendo que se alejen unos objetos de otros.

De forma similar podríamos pensar en una camiseta que se va estirando con el uso, el dibujo de la misma crece en igual proporción, pero visto desde dentro, dos dibujos de la misma camiseta parecerían alejarse uno del otro, cuando lo que pasa es que el espacio en el que están contenidos está creciendo, dándose de sí. Si estos dibujos están más separados, parece que se alejan más, pues hay más estiramiento (no más tela) entre ambos, la tela se está estirando. El espacio-tiempo se está estirando.

Esta teoría, ya demostrada, es el principal aval para la teoría del Big Bang como origen del universo.

Por otro lado, se ha trabajado mucho en calcular esa expansión. Lo que se denomina H0 o constante de Hubble, es el valor de proporcionalidad que determina cuanto se alejan unos objetos de otros en función de su distancia. Este valor se ha medido mediante observaciones y, más recientemente, mediante satélites como el Planck. El valor más reciente publicado es de 64 (km/s)/Mpc. Léase, que el universo se expande a una velocidad de 64 kilómetros por segundo de velocidad por cada Mega Parsec de distancia. Un parsec es la “abreviatura” de paralaje de un segundo de arco.

Si te aclaras mejor en años luz, es el equivalente a decir que el universo se expande a una velocidad de 19,62 km/s por cada millón de años luz de distancia. Es decir, que a una distancia de 2.5 millones de años luz, donde está la galaxia Andrómeda, el universo, se expande a 49.05 km/s.

Mi consejo, mira las galaxias cercanas al telescopio, son producto del momento en que vivimos. No vamos a notarlo en lo que duren nuestras vidas, pero estás mirando algo vivo y cambiante.