El experimento más genial del universo

¿Cuál es el lugar más frío en el que puedes pensar? Las temperaturas en un día de invierno en la Antártida bajan hasta -120ºF (-85ºC). En el lado oscuro de la Luna, alcanzaron -280ºF (-173ºC). Pero dentro del Cold Atom Laboratory de la NASA en la Estación Espacial Internacional, los científicos están creando algo aún más frío.

El Cold Atom Lab (CAL) es la primera instalación en órbita que produce nubes de átomos «ultrafríos», que pueden alcanzar una fracción de un grado por encima del cero absoluto: -459ºF (-273ºC), la temperatura más fría que puede alcanzar la materia. Se sabe que nada en la naturaleza alcanza las temperaturas alcanzadas en laboratorios como CAL, lo que significa que la instalación en órbita es regularmente el lugar más frío que se conoce en el universo.

El Cold Atom Laboratory de la NASA en la Estación Espacial Internacional es regularmente el lugar más frío que se conoce en el universo. Pero, ¿por qué los científicos producen nubes de átomos una fracción de un grado por encima del cero absoluto? ¿Y por qué necesitan hacerlo en el espacio? La física cuántica, por supuesto.

Siete meses después de su lanzamiento el 21 de mayo de 2018 a la estación espacial desde la instalación de vuelo Wallops de la NASA en Virginia, CAL está produciendo átomos ultrafríos diariamente. Cinco equipos de científicos llevarán a cabo experimentos en CAL durante su primer año, y tres experimentos ya están en marcha.

¿Por qué enfriar los átomos a un nivel tan bajo? Los átomos a temperatura ambiente generalmente giran como colibríes hiperactivos, pero los átomos ultrafríos se mueven mucho más lentamente que incluso un caracol. Los detalles específicos varían, pero los átomos ultrafríos pueden ser más de 200,000 veces más lentos que los átomos a temperatura ambiente. Esto abre nuevas formas de estudiar los átomos así como nuevas formas de usarlos para investigar otros fenómenos físicos. El principal objetivo científico de CAL es llevar a cabo investigaciones de física fundamental: tratar de comprender el funcionamiento de la naturaleza en los niveles más fundamentales.

«Con CAL, estamos empezando a comprender realmente cómo se comportan los átomos en la microgravedad, cómo manipularlos, cómo el sistema es diferente a los que usamos en la Tierra», dijo Rob Thompson, un físico de átomos fríos en la NASA. Jet Propulsion Laboratory en Pasadena, California, y el científico de la misión para CAL. «Esto es todo el conocimiento que construirá una base para lo que espero sea un largo futuro de la ciencia del átomo frío en el espacio».

Los laboratorios en la Tierra pueden producir átomos ultrafríos, pero en el suelo, la gravedad atrae a las nubes atómicas enfriadas y caen rápidamente, lo que les da a los científicos solo fracciones de segundo para observarlas. Los campos magnéticos se pueden usar para «atrapar» los átomos y mantenerlos inmóviles, pero eso restringe su movimiento natural. En la microgravedad, las nubes de átomos fríos flotan durante mucho más tiempo, lo que brinda a los científicos una visión ampliada de su comportamiento.

El proceso para crear las nubes de átomos fríos comienza con láseres que comienzan a disminuir la temperatura al disminuir la velocidad de los átomos. Las ondas de radio cortan a los miembros más cálidos del grupo, reduciendo aún más la temperatura promedio. Finalmente, los átomos se liberan de una trampa magnética y se les permite expandirse. Esto causa una caída en la presión que, a su vez, naturalmente causa otra caída en la temperatura de la nube (el mismo fenómeno que hace que una lata de aire comprimido se sienta frío después de su uso). En el espacio, la nube tiene más tiempo para expandirse y, por lo tanto, alcanzar temperaturas incluso más bajas que las que se pueden lograr en la Tierra, hasta aproximadamente una diez mil millones de grados por encima del cero absoluto, quizás incluso más bajo.

Las instalaciones atómicas ultrafrías en la Tierra generalmente ocupan una habitación completa, y en la mayoría, el hardware se deja expuesto para que los científicos puedan ajustar el aparato si es necesario. La construcción de un laboratorio de átomos fríos para el espacio plantea varios desafíos de diseño, algunos de los cuales cambian la naturaleza fundamental de estas instalaciones. Primero, estaba la cuestión del tamaño: CAL voló a la estación en dos piezas: una caja de metal un poco más grande que una mini nevera y una segunda del tamaño de una maleta de mano. En segundo lugar, CAL fue diseñado para ser operado de forma remota desde la Tierra, por lo que fue construido como una instalación totalmente cerrada.

CAL también cuenta con una serie de tecnologías que nunca antes se habían volado en el espacio, como celdas de vacío especializadas que contienen los átomos, que deben sellarse tan estrechamente que casi ningún átomo perdido pueda filtrarse. El laboratorio necesitaba poder resistir el temblor del lanzamiento y las fuerzas extremas experimentadas durante el vuelo a la estación espacial. Los equipos tardaron varios años en desarrollar un hardware único que pudiera satisfacer las necesidades precisas de enfriamiento de átomos en el espacio.

«Varias partes del sistema requirieron un rediseño, y otras partes se rompieron en formas que nunca antes habíamos visto», dijo Robert Shotwell, ingeniero jefe de la Dirección de Astronomía, Física y Tecnología Espacial de JPL y gerente de proyectos de CAL. «La instalación tuvo que ser completamente destruida y reensamblada tres veces».

Todo el arduo trabajo y la resolución de problemas desde el inicio de la misión en 2012 convirtió la visión del equipo de CAL en mayo pasado. Los miembros del equipo de CAL conversaron a través de un video en vivo con los astronautas Ricky Arnold y Drew Feustel a bordo de la Estación Espacial Internacional para la instalación del Laboratorio del átomo frío, la segunda instalación de átomos ultrafríos jamás operada en el espacio, la primera en alcanzar la órbita terrestre y la primera en permanecer en Espacio para más de unos pocos minutos. En el camino, CAL también cumplió con los requisitos mínimos establecidos por la NASA para que la misión fuera un éxito y está proporcionando una herramienta única para explorar los misterios de la naturaleza.

Diseñado y construido en JPL, CAL está patrocinado por el Programa de la Estación Espacial Internacional en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, y la División de Investigación y Aplicaciones de la Vida y las Ciencias Físicas del Espacio (SLPSRA) de la Dirección de Misión de Operaciones y Exploración Humana de la NASA en la sede de la NASA en Washington. .