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Prueban en el espacio los láseres que testarán la teoría de la relatividad

Se trata de comprobar si los átomos caen en el vacío a la misma velocidad, sea cual sea su masa


Científicos alemanes realizaron el sábado en el espacio dos experimentos preliminares que pretenden poner a prueba la teoría de la relatividad de Einstein, según la cual en el vacío todos los cuerpos se aceleran igual. Para ello utilizaron átomos de potasio y rubidio, y modernas tecnologías láser, que demostraron que pueden funcionar en los experimentos definitivos.





El módulo de rubidio de Fokus. Imagen: P. Immerz. Fuente: FBH.
El módulo de rubidio de Fokus. Imagen: P. Immerz. Fuente: FBH.
Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, todos los cuerpos en el vacío, independientemente de su propiedades, son acelerados por la gravedad de la Tierra a la misma velocidad. Este principio de equivalencia se aplica a las piedras, plumas y átomos por igual.

Bajo las condiciones de microgravedad, se pueden realizar mediciones muy largas y precisas para determinar si diferentes átomos de masas diferentes en realidad "caen igual de rápido". Para las primeras mediciones de precisión en el espacio con átomos fríos, potasio y rubidio son los candidatos adecuados.

El sábado se llevaron a cabo dos experimentos de tecnología láser, Kalexus y Focus, a bordo de un cohete sonda lanzado desde Kiruna (Suecia).

El análisis preliminar de los datos muestra que los experimentos, diseñados por la Humboldt Universität zu Berlin (HU) y el Instituto Ferdinand Braun-Instituto Leibniz für Technik Hoechst Frequenz (FBH, Alemania), fueron un éxito.

Los investigadores tienen la esperanza de que con el tiempo estos experimentos proporcionarán la información necesaria para abordar uno de los mayores desafíos de la física moderna: la unificación de la gravedad con otras tres interacciones fundamentales en una teoría completa.

Experimentos

En el marco del proyecto Kalexus, bajo la dirección de la Universidad Humboldt, se creó un sistema láser estable para la manipulación de átomos de potasio. La pieza central consiste en dos micromódulos láser semiconductores integrados, desarrollados por el FBH.

La longitud de onda de estos módulos láser se hace coincidir con una transición atómica de potasio. Durante el período de seis minutos de microgravedad el experimento estabiliza automáticamente la longitud de onda de ambos láseres. Además, el sistema láser puede alternar de manera autónoma entre las fuentes de láser durante el vuelo.

Estos experimentos no son fáciles de repetir, señala la nota de prensa del FBH, y los científicos no pueden tomar medidas correctivas durante el vuelo. Además, las mediciones no pueden verse afectadas si uno de los láseres fallara.

Otro módulo láser diseñado por FBH y montado por HU participó en Fokus, gestionado por la empresa Menlo Systems. Un láser se estabilizó a una transición atómica de rubidio con el fin de demostrar la madurez de la tecnología, en pruebas posteriores de caída de los átomos en condiciones de microgravedad.

'Relojes'

El sistema láser también permite comparar los relojes. Aquí, la frecuencia de un "oscilador óptico", el láser, se compara con la frecuencia de un oscilador de cuarzo que hace tic-tac en el rango de la frecuencia de radio, como un moderno reloj de pulsera. La teoría general de la relatividad supone que el tic-tac de todos los relojes se ve afectado por la gravedad de la misma manera, independientemente de cómo se implementen los relojes física y técnicamente.

Una prueba inicial en abril confirmó la idoneidad de tales "relojes atómicos" y de los sistemas de láser necesarios para poner a prueba la teoría general de la relatividad en el espacio. El objetivo ahora es confirmar los resultados iniciales después de algunas mejoras técnicas que se han aplicado al sistema.

Proyectos Kalexus y Fokus, realizados el sábado. Fuente: DLR.
Proyectos Kalexus y Fokus, realizados el sábado. Fuente: DLR.
Comparación

Los dos experimentos utilizan diferentes tipos de láser creados en el FBH. Esto permite una comparación de las diferentes tecnologías láser para el escenario de aplicación.

La pieza central del módulo Fokus es un láser de feedback distribuido, que emite luz en un rango estrecho de longitud de onda (o frecuencia), en torno a los 780 nanómetros. Este ancho de banda espectral estrecho es uno de los requisitos clave para el módulo de láser, que se utiliza para la espectroscopia de los átomos de rubidio y por lo tanto para mediciones de precisión.

Kalexus utiliza un concepto ECDL (Láser de Diodo con Cavidad Extendida), que gracias a una rejilla externa, proporciona un ancho de línea aún más estrecho. El láser está optimizado para mediciones espectroscópicas con átomos de potasio y emite a una longitud de onda de 767 nm.

Sin embargo, la rejilla externa hace que sea potencialmente más propenso al mal funcionamiento - en contraposición a la monolítica estructura del láser Fokus.

En última instancia, módulos del tamaño de la palma de una mano tienen que soportar cargas mecánicas durante el lanzamiento de cohetes con aceleraciones de hasta 15 veces la aceleración de la gravedad y tienen que funcionar sin problemas en el espacio. Los proyectos están financiados por el Centro Alemán de Aeronáutica (DLR, la agencia espacial alemana).


Martes, 26 de Enero 2016
FBH/T21
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