4. PRECESIÓN DEL PERIHELIO DE MERCURIO
Considérese un sistema solar simple, como el que se muestra en la figura 1, que consiste en una sola estrella masiva (de masa M) y un solo planeta ligero en órbita alrededor de ella.
De acuerdo con la gravitación newtoniana, la órbita es una elipse perfecta con la estrella en uno de los focos. La ecuación de la elipse es:
donde rmín
es la distancia mínima entre el planeta y la estrella y e
es la excentricidad de la órbita (el grado al cual la elipse es
no circular; e = 0 para un círculo). Cuando r = rmín,
se dice que el planeta está en el perihelio; esto ocurre
con regularidad en el mismo punto del espacio exactamente, siempre que
f
= 0, 2p , 4p , ....
De acuerdo con la relatividad general, la órbita no es una elipse
completamente cerrada; el efecto del espacio curvo cerca de la estrella
causa que la dirección del perihelio preceda una pequeña
cantidad
como se muestra en las figuras
2 y 3.
Después de completar una órbita, el planeta regresa a rmín, pero con un f ligeramente diferente; la diferencia Df se puede calcular de la relatividad general, de acuerdo con la cual la órbita es
donde
Para el Sol, 6p GM/c2 = 27.80
km.; así, hasta para el valor más pequeño de rmín
(para Mercurio, 46 x 106 km) Df es
del orden de 10-6 rad, una cantidadd extremadamente pequeña.
Sin embargo, este efecto es acumulativo: esto es, se va sumando
en cada órbita, y después de N órbitas, el
perihelio ha avanzado NDf. Generalmente
esta precesión se expresa en términos de la precesión
total por siglo (por 100 años terrestres); en la siguiente tabla
se muestran algunos valores representativos:
arco por siglo |
|||||
|
(órbitas por siglo) |
|
(106 km) |
general |
observación |
|
415.20
|
0.2060
|
46.0
|
43.00
|
43.1 ±
0.5
|
|
162.50
|
0.0068
|
107.5
|
8.60
|
8.4 ±
4.8
|
|
100.00
|
0.0170
|
147.1
|
3.80
|
5.0 ±
1.2
|
|
53.20
|
0.0930
|
206.7
|
1.40
|
|
|
8.43
|
0.0480
|
740.9
|
0.06
|
|
|
89.30
|
0.8270
|
27.9
|
10.00
|
9.8 ±
0.8
|
Las precesiones esperadas son muy pequeñas, del orden de segundos de arco por siglo; sin embargo, se han medido con gran exactitud. Para los tres planetas más cercanos al Sol y para el asteroide Ícaro, los valores medidos concuerdan con las predicciones de la relatividad general. En el mejor de los casos, la concordancia se encuentra dentro del 1 %.
Estos experimentos son muy difíciles de realizar puesto que (excepto
para Mercurio e Ícaro) las excentricidades son pequeñas y
es difícil localizar el perihelio. Un problema más serio
es que otros efectos, que no se encuentran asociados con la relatividad
general, también causan una precesión aparente del perihelio.
En el caso de Mercurio, la precesión observada es en realidad aproximadamente
5601’’ por siglo; de esos, 5026’’ se deben a la precesión del equinoccio
de la Tierra (un efecto newtoniano clásico de la Tierra en rotación)
y 532’’ se deben a la atracción gravitacional de los otros planetas
sobre Mercurio (también un efecto newtoniano clásico). Sólo
la diferencia de 43’’ se debe a la relatividad general.