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El experimento más frío en el universo

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Troy Oakes

¿Cuál es el lugar más frío que se te pueda ocurrir?

Las temperaturas en un día de invierno en la Antártica bajan hasta −85ºC (−120ºF). En el lado oscuro de la Luna llegan a −173ºC (−280ºF).

Pero dentro del Laboratorio Cold Atom 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: −273ºC (−459ºF), 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.

CAL está produciendo átomos ultrafríos diariamente siete meses después de su lanzamiento, el 21 de mayo de 2018 desde la instalación de vuelo Wallops de la NASA en Virginia.

Durante su primer año, cinco equipos de científicos llevarán a cabo experimentos en CAL; tres experimentos ya están en marcha.

¿Por qué enfriar los átomos a un nivel tan bajo?

A temperatura ambiente los átomos generalmente giran como colibríes hiperactivos, pero los átomos ultrafríos se mueven mucho más lentamente incluso que 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.

The Cold Atom Laboratory (CAL), packaged in a protective layer, is loaded onto a Northrop Grumman (formerly Orbital ATK) Cygnus spacecraft for its trip to the International Space Station. The facility launched in May 2018 from NASA's Wallops Flight Facility in Virginia. (Credits: NASA/Northrop Grumman)
El Cold Atom Laboratory (CAL), empacado en una capa protectora, se carga en una nave Cygnus Northrop Grumman (antes llamada Orbital ATK) para su viaje a la Estación Espacial Internacional. La instalación se lanzó en mayo de 2018 desde la instalación de vuelo Wallops de la NASA, en Virginia. (Imagen: NASA / Northrop Grumman)

 

Rob Thompson, físico de átomos fríos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California y científico de la misión para CAL, comentó:

“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.

Todo esto es conocimiento que construirá una base para lo que espero sea un largo futuro de la ciencia del átomo frío en el espacio”.

Microgravedad

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 se inicia con láseres que comienzan a disminuir la temperatura al reducir la velocidad de los átomos.

Las ondas de radio cortan a los miembros más cálidos del grupo, bajando 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 fría 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.

Cold Atom Laboratory (CAL) physicist David Aveline works in the CAL test bed, which is a replica of the CAL facility that stays on Earth. Scientists use the test bed to run tests and understand what is happening inside CAL while it is operating on the International Space Station. (Credits: NASA/JPL-Caltech)
El físico David Aveline. Los científicos usan el banco de pruebas para realizar pruebas y entender lo que está sucediendo dentro de CAL mientras está operando en la Estación Espacial Internacional. (Imagen: NASA / JPL-Caltech)

Ultrafrío

Las instalaciones atómicas ultrafrías en la Tierra típicamente 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 diseñada para ser operada de forma remota desde la Tierra, por lo que fue construida 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 con tanta fuerza 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.

Robert Shotwell, ingeniero jefe de la Dirección de Astronomía, Física y Tecnología Espacial de JPL y gerente de proyectos de CAL, señaló:

“Varias partes del sistema requirieron un rediseño y algunas partes se rompieron de una manera que nunca antes habíamos visto. La instalación tuvo que ser completamente destruida y reensamblada tres veces”.

 

Shown here is the "physics package" inside the Cold Atom Laboratory (CAL), where ultracold clouds of atoms called Bose-Einstein condensates are produced. (Credits: NASA/JPL-Caltech)
Aquí se muestra el “paquete de física”, donde se producen nubes ultrafrías de átomos llamadas condensados de Bose-Einstein. (Imagen: NASA / JPL-Caltech)

Visiones en realidades

Desde el inicio de la misión en 2012, en mayo pasado todo el arduo trabajo y la resolución de problemas  convirtió la visión del equipo de CAL en realidad.

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 Cold Atom Laboratory; la segunda instalación de átomos ultrafríos jamás operada en el espacio, la primera en alcanzar la órbita terrestre y la primera en permanecer en el espacio durante más de unos pocos minutos.

En el camino, CAL también cumplió con los requisitos mínimos establecidos por la NASA para que la misión sea un éxito y proporciona 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.

Proporcionado por: Calla Cofield, NASA [Nota: Los materiales pueden editarse en su contenido y duración.]

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