Apesar de décadas de pesquisas em andamento, os cientistas estão tentando entender como as quatro forças fundamentais do Universo se encaixam. Enquanto a mecânica quântica pode explicar como três dessas forças as coisas funcionam juntas na menor das escalas (eletromagnetismo, forças nucleares fracas e fortes), a Relatividade Geral explica como as coisas se comportam na maior das escalas (ou seja, a gravidade). A esse respeito, a gravidade continua sendo o ponto forte.
Para entender como a gravidade interage com a matéria na menor das escalas, os cientistas desenvolveram alguns experimentos verdadeiramente avançados. Um deles é o Cold Atom Laboratory (CAL) da NASA, localizado a bordo da ISS, que recentemente alcançou um marco ao criar nuvens de átomos conhecidos como condensados de Bose-Einstein (BECs). Foi a primeira vez que os BECs foram criados em órbita e oferece novas oportunidades para sondar as leis da física.
Originalmente previsto por Satyendra Nath Bose e Albert Einstein, 71 anos atrás, os BECs são átomos essencialmente ultracoldos que atingem temperaturas logo acima do zero absoluto, o ponto em que os átomos devem parar de se mover completamente (em teoria). Essas partículas têm vida longa e são controladas com precisão, o que as torna a plataforma ideal para o estudo de fenômenos quânticos.
Esse é o objetivo da instalação de CAL, que é estudar gases quânticos ultra-frios em um ambiente de microgravidade. O laboratório foi instalado no Laboratório de Ciências dos EUA a bordo da ISS no final de maio e é o primeiro de seu tipo no espaço. Ele foi desenvolvido para aprimorar a capacidade dos cientistas de fazer medições de precisão da gravidade e estudar como ele interage com a matéria na menor das escalas.
Como Robert Thompson, cientista do projeto CAL e físico do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, explicou em um comunicado à imprensa recente:
“Ter um experimento BEC operando na estação espacial é um sonho tornado realidade. Tem sido um caminho longo e difícil de chegar até aqui, mas vale a pena a luta, porque há muito que poderemos fazer com essa instalação. "
Cerca de duas semanas atrás, os cientistas da CAL confirmaram que a instalação havia produzido BECs a partir de átomos de rubídio - um elemento metálico macio e branco prateado no grupo alcalino. Segundo o relatório, atingiram temperaturas tão baixas quanto 100 nanoKelvin, um a dez milhões de um Kelvin acima do zero absoluto (-273 ° C; -459 ° F). Isso é aproximadamente 3 K (-270 ° C; -454 ° F) mais frio que a temperatura média do espaço.
Devido ao seu comportamento único, os BECs são caracterizados como um quinto estado da matéria, distinto de gases, líquidos, sólidos e plasma. Nos BECs, os átomos agem mais como ondas do que partículas na escala macroscópica, enquanto esse comportamento geralmente é apenas observável na escala microscópica. Além disso, todos os átomos assumem seu estado de energia mais baixo e assumem a mesma identidade de onda, tornando-os indistinguíveis um do outro.
Em suma, as nuvens atômicas começam a se comportar como um único "super átomo" em vez de átomos individuais, o que os torna mais fáceis de estudar. Os primeiros BECs foram produzidos em um laboratório em 1995 por uma equipe de cientistas composta por Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle, que compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 2001 por sua realização. Desde então, centenas de experimentos do BEC foram realizados na Terra e alguns foram enviados ao espaço a bordo de foguetes que soam.
Mas a instalação da CAL é única, pois é a primeira do tipo na ISS, onde os cientistas podem realizar estudos diários por longos períodos. A instalação consiste em dois contêineres padronizados, que consistem no maior "quad locker" e no menor "single locker". O quad locker contém o pacote de física da CAL, o compartimento em que a CAL produzirá nuvens de átomos ultra-frios.
Isso é feito usando campos magnéticos ou lasers focados para criar recipientes sem atrito conhecidos como "armadilhas atômicas". À medida que a nuvem de átomos se descomprime dentro da armadilha, sua temperatura cai naturalmente, ficando mais fria quanto mais tempo ela permanece na armadilha. Na Terra, quando essas armadilhas são desativadas, a gravidade faz com que os átomos comecem a se mover novamente, o que significa que eles só podem ser estudados por frações de segundo.
A bordo do ISS, que é um ambiente de microgravidade, os BECs podem descomprimir para temperaturas mais frias do que qualquer outro instrumento na Terra e os cientistas são capazes de observar BECs individuais por cinco a dez segundos por vez e repetir essas medições por até seis horas por dia. E como a instalação é controlada remotamente a partir do Centro de Operações de Missões em Órbita Terrestre da JPL, as operações diárias não requerem intervenção dos astronautas a bordo da estação.
Robert Shotwell, o engenheiro-chefe da diretoria de astronomia e física do JPL, supervisiona o projeto desde fevereiro de 2017. Como indicou em um comunicado de imprensa recente da NASA:
“CAL é um instrumento extremamente complicado. Normalmente, os experimentos BEC envolvem equipamento suficiente para encher uma sala e requerem monitoramento quase constante pelos cientistas, enquanto a CAL é do tamanho de um pequeno refrigerador e pode ser operada remotamente da Terra. Foi uma luta e exigiu um esforço significativo para superar todos os obstáculos necessários para produzir a instalação sofisticada que está operando na estação espacial hoje. "
Olhando para o futuro, os cientistas da CAL querem ir ainda mais longe e alcançar temperaturas mais baixas do que qualquer coisa alcançada na Terra. Além do rubídio, a equipe da CAL também está trabalhando para produzir BECSs usando dois isótopos diferentes de átomos de potássio. No momento, a CAL ainda está em fase de comissionamento, que consiste na equipe de operações conduzindo uma longa série de testes para ver como a instalação da CAL operará em microgravidade.
No entanto, quando estiver em funcionamento, cinco grupos de ciências - incluindo grupos liderados por Cornell e Ketterle - farão experimentos na instalação durante seu primeiro ano. A fase científica deve começar no início de setembro e durará três anos. Como Kamal Oudrhiri, gerente de missão da JPL para CAL, coloca:
“Existe uma equipe de cientistas de todo o mundo, pronta e empolgada para usar esta instalação. A diversidade de experimentos que eles planejam realizar significa que existem muitas técnicas para manipular e resfriar os átomos que precisamos adaptar para a microgravidade, antes de entregar o instrumento aos principais pesquisadores para iniciar as operações científicas. ”
Com o tempo, o Cold Atom Lab (CAL) pode ajudar os cientistas a entender como a gravidade funciona na menor das escalas. Combinado com experimentos de alta energia conduzidos pelo CERN e outros laboratórios de física de partículas ao redor do mundo, isso pode levar a uma Teoria de Tudo (ToE) e a um entendimento completo de como o Universo funciona.
E não deixe de conferir também este vídeo interessante (sem trocadilhos!) Da instalação da CAL, cortesia da NASA:
