Las futuras misiones espaciales podrían utilizar la tecnología cuántica para rastrear el agua en la Tierra, explorar la composición de las lunas y otros planetas, o investigar misteriosos fenómenos cósmicos.
El Laboratorio de Átomos Fríos de la NASA, una instalación única en su tipo a bordo de la Estación Espacial Internacional, ha dado un paso más para revolucionar la forma en que se puede usar la ciencia cuántica en el espacio. Los miembros del equipo científico midieron las vibraciones sutiles de la estación espacial con una de las herramientas a bordo del laboratorio, la primera vez que se emplean átomos ultrafríos para detectar cambios en el entorno circundante en el espacio.
El estudio, que apareció en Nature Communications el 13 de agosto, también informa de la demostración más larga de la naturaleza ondulatoria de los átomos en caída libre en el espacio.
El equipo científico del Laboratorio de Átomos Fríos realizó sus mediciones con una herramienta cuántica llamada interferómetro atómico, que puede medir con precisión la gravedad, los campos magnéticos y otras fuerzas. Los científicos e ingenieros de la Tierra utilizan esta herramienta para estudiar la naturaleza fundamental de la gravedad y avanzar en tecnologías que ayudan a la navegación de aviones y barcos. (Los teléfonos celulares, los transistores y el GPS son solo algunas otras tecnologías importantes basadas en la ciencia cuántica, pero no involucran interferometría de átomos).
Los físicos han estado ansiosos por aplicar la interferometría atómica en el espacio porque la microgravedad allí permite tiempos de medición más largos y una mayor sensibilidad del instrumento, pero el equipo exquisitamente sensible se ha considerado demasiado frágil para funcionar durante períodos prolongados sin ayuda práctica. El Laboratorio de Átomos Fríos, que se opera de forma remota desde la Tierra, ahora ha demostrado que es posible.
"Alcanzar este hito fue increíblemente desafiante, y nuestro éxito no siempre fue un hecho", dijo Jason Williams, científico del proyecto Cold Atom Lab en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. "Se necesitó dedicación y un sentido de aventura por parte del equipo para que esto sucediera".
El poder de la precisión
Los sensores espaciales que pueden medir la gravedad con alta precisión tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podrían revelar la composición de los planetas y lunas de nuestro sistema solar, porque los diferentes materiales tienen diferentes densidades que crean sutiles variaciones en la gravedad.
Este tipo de medición ya está siendo realizada por la colaboración estadounidense-alemana GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), que detecta ligeros cambios en la gravedad para rastrear el movimiento del agua y el hielo en la Tierra. Un interferómetro atómico podría proporcionar precisión y estabilidad adicionales, revelando más detalles sobre los cambios en la masa de la superficie.
Las mediciones precisas de la gravedad también podrían ofrecer información sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, dos grandes misterios cosmológicos. La materia oscura es una sustancia invisible cinco veces más común en el universo que la materia "normal" que compone planetas, estrellas y todo lo que podemos ver. La energía oscura es el nombre que se le da al desconocido impulsor de la expansión acelerada del universo.
"La interferometría atómica también podría usarse para probar la teoría de la relatividad general de Einstein de nuevas maneras", dijo el profesor de la Universidad de Virginia Cass Sackett, investigador principal del Laboratorio de Átomos Fríos y coautor del nuevo estudio. "Esta es la teoría básica que explica la estructura a gran escala de nuestro universo, y sabemos que hay aspectos de la teoría que no entendemos correctamente. Esta tecnología puede ayudarnos a llenar esos vacíos y darnos una imagen más completa de la realidad que habitamos".
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