Por qué la NASA quiere transformar a la EEI en el lugar más frío del universo

Estos experimentos permitirán mediciones ultraprecisas con múltiples aplicaciones
Por qué la NASA quiere transformar a la EEI en el lugar más frío del universo
El Laboratorio de Átomos Fríos usará rayos láser para lograr átomos ultrafríos.
Foto: NASA/iGoal Animation

En un pequeño laboratorio a cerca de 400 km de altura los científicos buscan producir la materia más fría del cosmos.

Y sus experimentos permitirán mediciones ultraprecisas con múltiples aplicaciones, desde tecnologías de navegación espacial al estudio de la elusiva materia oscura.

El Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA, CAL por sus siglas en inglés, fue instalado a fines de mayo en la Estación Espacial Internacional como un instrumento multiusuario que puede ser utilizado por investigadores en la Tierra para diferentes experimentos.

CAL permite producir nubes de átomos ultrafríos, mucho más que las temperaturas del espacio profundo.

“La temperatura en las profundidades del espacio es de tres grados Kelvin”, dijo a BBC Mundo Dana Anderson, profesor de física de la Universidad de Colorado en Estados Unidos y miembro del equipo científico de CAL.

“Es razonable afirmar que CAL podrá lograr átomos 100 millones de veces más fríos“.

Cero absoluto

En el laboratorio a bordo de la Estación Espacial Internacional es posible producir nubes de átomos justo por encima del cero absoluto, más precisamente 10 mil millonésimas de grado por encima o -273,15 grados celsius, el punto en el cual los átomos teóricamente deberían dejar de moverse por completo.

CAL

NASA
El Laboratorio de Átomos Fríos o CAL produce nubes de átomos ultrafríos 10 mil millonésimas de grados por encima del cero absoluto o -273,15 grados celsius.

Esas nubes de átomos ultrafrías son conocidas como condensados Bose Einstein o BEC por sus siglas en inglés, un estado de la materia que fue predicho en 1924-1925 por los científicos Satyendra Nath Bose y Albert Einstein.

Estudiar átomos ultrafríos es importante porque “a temperaturas suficientemente bajas y con una densidad suficiente de átomos, el comportamiento de esos átomos ya no puede describirse adecuadamente por la termodinámica y es necesario usar conceptos de mecánica cuántica“, señaló Anderson.

Los átomos se comportan a esas temperaturas mínimas de maneras extrañas, lo que permite a los científicos investigar la naturaleza fundamental de la materia.

Comportamiento cuántico

Para entender la importancia de CAL, “primero hay que recordar dos ideas del concepto de temperatura”, explicó a BBC Mundo Pablo Capuzzi, profesor de física de la Universidad de Buenos Aires que investiga condensados Bose Einstein.

“Por un lado la temperatura tiene que ver con la agitacion térmica, a mayor movimiento de los átomos mayor agitación y por ende mayor temperatura, y por el contrario una temperatura muy baja tiene que ver con átomos muy, muy lentos, o en sus estados de menor energía (se los llama estados fundamentales)”.

Ilustración sobre el enfriamiento de átomos y los cambios en la densidad de la materia

NASA/JPL-Caltech
Esta ilustración muestra, de izquierda a derecha, los cambios en densidad al reducir la temperatura. Los picos en rojo representan mayor densidad y la formación de condensados de Bose Einstein.

“La otra característica relevante de la temperatura es que el uso más coloquial del término se asocia a sistemas macroscópicos, sistemas con una cantidad enorme de átomos (del orden de 1 seguido de 23 ceros átomos), un litro de agua a 20 grados de temperatura, por ejemplo”, señaló el físico argentino.

“En los experimentos en un laboratorio de átomos fríos en general uno suele tener desde 100 a 10.000.000 de átomos con muy, muy baja energía, y por ende con una temperatura muy baja. Sin embargo, no es que sirvan de heladeras porque son relativamente pocos átomos”.

“Los conceptos clásicos no son aplicables”

Un aspecto clave es que a esas temperaturas tan bajas y al estar gobernados por la mecánica cuántica, los átomos pierden su identidad individual, afirmó el Dr. Capuzzi.

“Los conceptos clásicos de partículas no son aplicables”, explicó el científico argentino.

“La parte interesante de los condensados de Bose-Einstein nace justamente del hecho de que a esas temperatura un conjunto de átomos se ponen de acuerdo y se comportan como si fueran un solo gran átomo”.

Estación Espacial Internacional

NASA
El laboratorio ya está instalado en la Estación Espacial Internacional.

“Así, propiedades intrínsecamente microscópicas y difíciles de estudiar en pocos átomos (porque son pequeños y pocos) se manifiestan casi macroscópicamente.

“Además de poderse estudiar -lo cual es importante para conocer la naturaleza de los sistemas- estas propiedades microscópicas se pueden utilizar en distintas aplicaciones generalmente asociadas a la metrología (patrones de medida), ya que los átomos de cada elemento son todos iguales (indistinguibles) y sus características se pueden medir con mucha mayor precisión en ausencia de temperatura y de otros factores externos como puede ser gravedad”.

CAL es la primera instalación de su tipo en el espacio.

También es posible realizar experimentos con condensados BEC en la Tierra, pero esos experimentos pueden realizarse mejor lejos de la superficie terrestre donde el efecto de la gravedad es más fuerte.

“Muchos experimentos requieren que los átomos se muevan con total libertad y sean observados durante mucho tiempo”, explicó Capuzzi.

“En la Tierra la gravedad hace que los átomos BEC eventualmente caigan a la parte inferior de la cámara donde se encuentran y esto limita el tiempo que pueden ser observados”.

Mediciones precisas

Las mediciones increíblemente precisas que pueden lograrse con átomos ultrafríos podrían tener múltiples aplicaciones.

Una de ellas utilizar instrumentos muy sensibles para el estudio de la energía oscura, la misteriosa fuerza que sería responsable de la aceleración en la expansión del universo, y de la materia oscura, que no emite ni absorbe luz pero impacta otros cuerpos visibles.

Grupo de galaxias MACS 1206

NASA, ESA, M. Postman (STScI), and the CLASH Team
Una de las aplicaciones posibles de los experimentos en CAL es el estudio de la materia oscura. El tipo de materia que conocemos constituye sólo cerca del 4% del universo, según teorías actuales. El resto es lo que se ha denominado materia oscura (cerca del 26%) y energía oscura (70%).

Las galaxias en espiral, por ejemplo, giran más rápido de lo que deberían si la única materia que existiese en ellas fuese la visible.

Las investigaciones realizadas en CAL también pueden tener aplicaciones prácticas, como el mejor funcionamiento de satélites GPS, el diseño de relojes atómicos usados en navegación espacial o de sensores cuánticos para monitorear el clima.

“Tener un experimento BEC operando en la estación espacial es un sueño hecho realidad”, dijo en un comunicado Robert Thompson, científico del proyecto CAL y físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California.

“Ha sido un camino largo y difícil para llegar aquí, pero vale la pena la lucha, porque hay mucho que podemos hacer con esta instalación”.


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