Artist's impression of JILA's record-cold quantum gas of potassium-rubidium molecules. Credit: Steven Burrows/JILA
JILA researchers have made a long-lived, record-cold gas of molecules that follow the wave patterns of quantum mechanics instead of the strictly particle nature of ordinary classical physics. The creation of this gas boosts the odds for advances in fields such as designer chemistry and quantum computing.
As featured on the cover of the Feb. 22 issue of Science, the team produced a gas of potassium-rubidium (KRb) molecules at temperatures as low as 50 nanokelvin (nK). That's 50 billionths of a Kelvin, or just a smidge above absolute zero, the lowest theoretically possible temperature. The molecules are in the lowest-possible energy states, making up what is known as a degenerate Fermi gas.
In a quantum gas, all of the molecules' properties are restricted to specific values, or quantized, like rungs on a ladder or notes on a musical scale. Chilling the gas to the lowest temperatures gives researchers maximum control over the molecules. The two atoms involved are in different classes: Potassium is a fermion (with an odd number of subatomic components called protons and neutrons) and rubidium is a boson (with an even number of subatomic components). The resulting molecules have a Fermi character.
JILA is jointly operated by the National Institute of Standards and Technology (NIST) and the University of Colorado Boulder. NIST researchers at JILA have been working for years to understand and control ultracold molecules, which are more complex than atoms because they not only have many internal energy levels but also rotate and vibrate. The JILA team made their first molecular gas 10 years ago.
"The basic techniques for making the gas are the same ones we've used before, but we have a few new tricks such as significantly improving the cooling of the atoms, creating more of them in the lowest-energy state," NIST/JILA Fellow Jun Ye said. "This results in a higher conversion efficiency so we get more molecules."
The JILA team produced 100,000 molecules at 250 nK and as many as 25,000 molecules at 50 nK.
Before now, the coldest two-atom molecules were produced in maximum numbers of tens of thousands and at temperatures no lower than a few hundred nanoKelvin. JILA's latest gas temperature record is much lower than (about one-third of) the level where quantum effects start to take over from classical effects, and the molecules last for a few seconds—remarkable longevity, Ye said.
The new gas is the first to get cold and dense enough for the matter waves of these molecules to be longer than distances between them, making them overlap with each other to create a new entity. Scientists call this quantum degeneracy. (Quantum matter can behave as either particles or matter waves, that is, waveform patterns of the probability of a particle's location).
Quantum degeneracy also means an increase in the repulsion among fermionic particles, which tend to be loners anyway, resulting in fewer chemical reactions and a more stable gas. This is the first experiment in which scientists have observed collective quantum effects directly affecting the chemistry of individual molecules, Ye said.
"This is the first quantum degenerate gas of stable molecules in bulk, and the chemical reactions are suppressed—a result that nobody had predicted," Ye said.
The molecules created in this experiment are called polar molecules because they have a positive electric charge at the rubidium atom and a negative charge at the potassium atom. Their interactions vary by direction and can be controlled with electric fields. Polar molecules thus offer more tunable, stronger interactions and additional control "knobs" compared with neutral particles.
These new ultralow temperatures will enable researchers to compare chemical reactions in quantum versus classical environments and study how electric fields affect the polar interactions. Eventual practical benefits could include new chemical processes, new methods for quantum computing using charged molecules as quantum bits, and new precision measurement tools such as molecular clocks.
The process for making the molecules begins with a gas mixture of very cold potassium and rubidium atoms confined by a laser beam. By sweeping a precisely tuned magnetic field across the atoms, scientists create large, weakly bound molecules containing one atom of each type. This technique was pioneered by Ye's colleague, the late Deborah Jin, in her 2003 demonstration of the world's first Fermi condensate.
To convert these relatively fluffy molecules into tightly bound molecules without heating the gas, scientists use two lasers operating at different frequencies—each resonating with a different energy jump in the molecules—to convert the binding energy into light instead of heat. The molecules absorb near-infrared laser light and release red light. In the process, 90 percent of the molecules are converted through an intermediate energy state, to the lowest and most stable energy level.
Los científicos de la NASA no perdían la esperanza pero tampoco eran optimistas. Su vehículo robótico Opportunity no envía ninguna señal desde que el pasado mes de junio tuvo que hacer frente a una gran tormenta de polvo en Marte. La agencia espacial ha hecho a lo largo de estos meses varios intentos para restablecer la comunicación con su rover, que el pasado 24 de enero cumplió 15 años en el planeta rojo.
Pero según han explicado esta tarde los responsables de la misión en una rueda de prensa, su último intento tampoco ha dado resultado así que la NASA ha decidido dar por terminada la misión de su emblemático rover en Marte.
"Opportunity se ha ido pero nos ha dejado su legado", ha declarado el director del Jet Propulsion Laboratory (JPL), Michael Watkins, que ha descrito al rover como "un geólogo robótico". Tanto el director de la NASA, Jim Bridenstine, como el director de Ciencia, Thomas Zurbuchen -que ha definido a Opportunity como"un héroe"-, han preferido considerar esta jornada de despedida como un día para celebrar los logros del icónico robot marciano.
"Hoy es un día triste", comenta a EL MUNDO Alberto G. Fairén, el único científico español que ha formado parte del equipo de Opportunity. "Es uno, por no decir el mejor, de los ingenios mejor diseñados por el ser humano: fue concebido para trabajar en Marte durante tres meses (90 soles) y estuvo trabajando de forma continuada 14 años y 4 meses (desde el 25 de Enero de 2004 hasta el 10 de Junio de 2018)", apunta su colega Jorge Pla-García, uno de los investigadores del Centro de Astrobiología (CAB/CSIC-INTA) que se encarga de la estación meteorológica de Curiosity, el único rover que queda ahora operativo en Marte tras la muerte de Opportunity.
Y es que tanto Opportunity como su rover gemelo Spirit (que quedó atrapado en un cráter en 2009) superaron con creces las expectativas puestas en su misión, denominada MER (de Mars Exploration Rovers). Los dos partieron rumbo a Marte en 2003 (Spirit fue lanzado el 10 de junio y Opportunity, el 7 de julio) y llegaron en enero de 2004. Opportunity, señala García-Pla, "ha sido el vehículo que mayor distancia ha recorrido en un cuerpo extraterrestre en la historia (45,16 kilómetros), superando con creces los 39 kilómetros recorridos por el rover soviético Lunokhod 2 en la Luna".
Hay muchos aspectos en los que los vehículos MER fueron pioneros, como enumera Alberto G. Fairén: "Fueron los primeros robots en mostrarnos muchas cosas que no sabíamos de Marte: que Marte es gris, no rojo, porque llevaban unos pequeños pinceles para limpiar la capa de polvo rojo en las rocas, y debajo del polvo los materiales son grises; fueron los primeros en detectar meteoritos sobre la superficie de otro mundo, en hacer perfiles térmicos de la atmósfera marciana y en cuantificar la erosión eólica sobre diversas superficies; validaron por primera vez in situ los datos obtenidos por varias misiones orbitales y fueron los primeros en determinar la composición y distribución de rocas, minerales y suelos sobre la superficie de Marte".
Pero, sobre todo, subraya Fairén, "fueron los primeros en demostrar que Marte fue un mundo habitable hace miles de millones de años, con agua líquida estable sobre su superficie: Spirit encontró los restos de antiguos manantiales hidrotermales, y Opportunity descubrió las huellas de lagunas de extensión variable que anegaban episódicamente las planicies de Meridiani hace más de 3.500 millones de años. El agua era ácida y posiblemente salada, un entorno ideal para algunos microorganismos extremófilos de la Tierra".
Opportunity demostró además que Marte ha cambiado mucho a lo largo del tiempo y según las zonas, pues tuvo en algunos lugares y momentos aguas ácidas y saladas, y en otras zonas y periodos agua dulce: "Esto hace que su pasado sea mucho más parecido a la Tierra, y mucho más interesante desde un punto de vista astrobiológico", explica el investigador. Clave para llegar a esta conclusión fue el hallazgo de los materiales más antiguos que se han analizado hasta la fecha in situ, unos sedimentos de hace 4.000 millones de años que contienen arcillas.
Durante su aventura marciana, el rover observó nubes de hielo de agua, escarcha sobre una de sus cámaras y fotografió campos de dunas esculpidas por el viento, además de descubrir el mineral jarosita en Marte, que como recuerda García-Pla, se llama así por el lugar dónde se descubrió, el Barranco del Jaroso en Almería. "Por los estudios realizados en la Tierra, sabemos que este mineral sólo se puede formar por la presencia de agua líquida".
ROSALIND FRANKLIN, EL FUTURO ROVER EUROPEO
La nueva generación de vehículos robóticos que toma el relevo de los gemelosOpportunity y Spirit cuenta con instrumentos más sofisticados para explorar el planeta rojo. Con la muerte de Opportunity sólo Curiosity, también de la NASA, está operativo en la actualidad. Desde 2012, explora el cráter Gale.
Para 2020 está previsto el lanzamiento del vehículo robótico de la misión Exomars, que la Agencia Espacial Europea (ESA) está desarrollando junto a Roscosmos, la agencia rusa. Se va a llamar Rosalind Franklin en homenaje a la científica británica que junto a otros colegas descubrió la estructura del ADN, según anunció la semana pasada la ESA.
Franklin (1920-1958) falleció a los 37 años de un cáncer de ovarios, cuatro años antes de que sus colegas Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins ganaran el Premio Nobel en 1962 por sus trabajos sobre el ADN. Aunque los Nobel no se pueden otorgar póstumamente, se criticó que el nombre de Franklin no fuera mencionado durante los discursos. Con los años, su papel en este descubrimiento ha sido reconocido, como refleja la elección de su nombre para bautizar al sofisticado rover marciano.
Su nombre fue sido seleccionado por un panel de expertos a partir de una lista de candidatos propuesta por el público (unas 36.000 personas participaron en el concurso organizado en Reino Unido). "Este nombre nos recuerda que explorar está en los genes humanos. La ciencia está en nuestro ADN y en todo lo que hacemos en la Agencia Espacial Europea", declaró Jan Woerner, director de la ESA.
El rover Rosalind Franklin cuenta con un taladro que le permitirá perforar la superficie marciana hasta los dos metros de profundidad. Con los análisis de las muestras que tome los científicos quieren investigar la presencia de vida en el pasado marciano.
Vista de la Vía Láctea desde las Montañas Rocosas en Colorado (EEUU) JEREMY THOMAS
La detección de unas raras ráfagas de radio (FRB) para las que aún no hay explicación científica clara han disparado las especulaciones sobre su posible origen alienígena
Mientras tanto, crecen los proyectos para encontrar rastros de otras civilizaciones
Imagine que tiene que buscar una aguja en un gigantesco pajar, pero no sabe qué aspecto tiene una aguja ni tiene la seguridad de que las agujas existen... No muy distinto es el panorama al que se enfrentan los científicos que rastrean el espacio profundo a la búsqueda de señales enviadas por lejanas civilizaciones extraterrestres. Civilizaciones muy avanzadas, claro, porque tendrían que haber sido capaces de crear la tecnología necesaria para llegar a nosotros.
Bajo el nombre genérico de SETI (del inglés search for extra terrestrial intelligence o búsqueda de inteligencia extraterrestre) se engloban todos los proyectos que desde los 60 tratan de dar con señales alienígenas usando diversas tecnologías. El programa más famoso es el de un instituto que también se llama SETI y se hizo popular gracias a la película Contact, estrenada en 1997 y basada en una novela del astrofísico Carl Sagan, pionero a la hora de proponer el uso de radiotelescopios para buscar señales procedentes de otras formas de vida.
En ella, la actriz Jodie Foster -que en la vida real es una de las mecenas del Instituto SETI- interpreta a una científica que logra contactar con extraterrestres. Dos décadas después del estreno de este film, cualquier contacto con seres alienígenas sigue perteneciendo al terreno de la ciencia ficción. Que se sepa, claro está. Porque sí se han registrado algunas señales anómalas para las que los científicos no han encontrado explicación.
Entre ellas, la reciente detección realizada con el radiotelescopio canadiense CHIMEde un misterioso fenómeno llamado ráfagas de radio rápidas o FRBs (del inglés fast radio bursts), que ha disparado este mes las especulaciones sobre si su origen pudiera ser una civilización extraterrestre.
Las FRBs son fenómenos de gran energía que se manifiestan como un pulso de radio tan fugaz que sólo dura milisegundos. Fueron detectadas por primera vez en 2007 por telescopios australianos y desde entonces se han captado unas 60. El revuelo por la detección anunciada el 9 de enero durante el congreso de la Sociedad Astronómica de EEUU de Seattle y publicada en la revista Nature se debe a que se trata de la segunda vez que se identifica una FRB con pulsos repetidos desde una misma fuente. La primera vez el hallazgo se hizo en 2015 con el radiotelescopio de Arecibo de Puerto Rico.
La hipótesis más respaldada por la comunidad científica es que estas ráfagas raras son causadas por eventos astrofísicos que tienen lugar a miles de millones de años luz de la Tierra, pero algunos astrónomos no descartan que esas FRB tengan un origen artificial y, como propone Avi Loeb, de la Universidad de Harvard (EEUU), que se trate de rayos de energía utilizados para propulsar naves extraterrestres.
Para Vicent J. Martínez, investigador del Observatorio Astronómico de la Universidad de Valencia (UV), la teoría de la civilización extraterrestre "es muy tentadora cuando tienes algo nuevo que no sabes qué es o no encaja. No es lo más probable aunque no se puede descartar".
"Las explicaciones más plausibles apuntan a que llegan desde muy lejos y podrían provenir de supernovas, choques de agujeros negros...pero realmente no sabemos qué son. Si tuviéramos un buen candidato para explicar las FRB, a nadie se le ocurriría la teoría de los extraterrestres", apunta su colega Fernando Ballesteros, también del Observatorio Astronómico de la UV.
"Cuando hablas de una señal de radio la gente suele pensar en algo artificial porque es así como entendemos la comunicación pero en el universo todo emite en radio: el sol, las estrellas, los planetas gigantes, el gas interestelar...Hay muchas fuentes naturales y por eso existe la radioastronomía", afirma Héctor Socas Navarro, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). En su opinión, "casi nadie que trabaje en SETI cree realmente que las FRB sean artificiales y a la mayoría nos parece que es más una explosión que una señal".
Y es que, según explica, "las FRB son pulsos, no señales moduladas que tengan información. Y vienen de cualquier parte, pensamos que de fuera de nuestra galaxia pero no estamos seguros. Si llegan de tan lejos, debe haber algo muy potente que las produjo porque la energía que liberan en un milisegundo es equivalente a la que emite un sol en un año", detalla.
"No sabemos su origen pero como son emisiones de muy alta energía, hay que ver qué procesos astrofísicos pueden liberarla. Y ahí entran los remanentes de supernova, que son explosiones estelares que terminan en un púlsar o un agujero negro; también pueden ser emisiones que provengan de un disco alrededor de un agujero negro o en una galaxia supermasiva", propone desde Santiago de Chile Andrés Pérez Sánchez, astrónomo del Observatorio Europeo Austral (ESO).
Pérez, que trabaja en el radiotelescopio ALMA, coincide en que "no se puede descartar" la teoría de los seres alienígenas, pero "la probabilidad es muy baja".Como argumenta, "en la Tierra tenemos la posibilidad de mandar señales para que sean detectadas en el espacio, pero ¿cuántas especies de las que viven en la Tierra pueden enviar esas señales? Sólo los humanos".
Para esclarecer de qué región del cielo proceden y qué las produce, hacen falta más detecciones, por eso hay grandes expectativas puestas en el telescopio CHIME, que ya durante la fase de pruebas del verano de 2018, detectó 13 FRB, entre ellas la que ha suscitado tanta expectación.
Como repasa Rafael Bachiller, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN), "las búsquedas en el óptico fueron ya propuestas poco después de que Charlie Townes descubriese el láser, en los 60. La idea es que una civilización extraterrestre podría utilizar láseres de alta potencia (como los que se están desarrollando ya en la Tierra) para impulsar naves espaciales o realizar emisiones de banda muy ancha".
"Hay SETI pasivo (intentar escuchar señales) y SETI activo (enviar señales desde la Tierra), que es el más controvertido porque hay gente que opina que los extraterrestres podrían venir a destruirnos", señala Héctor Socas. El mismísimo Stephen Hawking alertó del riesgo de conseguir contactar con extraterrestres, algo que intentaron en 1974 Frank Drake y Carl Sagan mandando desde un radiotelescopio el llamado mensaje de Arecibo, una emisión de radio que informaría sobre nuestra existencia a posibles seres alienígenas.
Pero en opinión de Socas, esos temores son infundados: "En primer lugar nadie puede viajar más rápido que la Luz y aunque nuestras señales fueran detectadas por otra civilización, tardarían muchísimo tiempo en llegar a nosotros. Y en segundo lugar, no creo que les interesara venir a por nuestros recursos porque, al contrario de lo que nos suelen decir, la Tierra es un sitio muy común y no tenemos materiales o minerales que no se puedan encontrar en otro sitio", reflexiona el astrofísico canario.
La financiación privada está permitiendo hacer realidad diversos proyectos de búsqueda extraterrestre, un campo que ha atraído a multimillonarios como Yuri Milner (DST Global) y Mark Zuckerberg (Facebook), padres de las iniciativas Breakthrough. Mientras Breakthrough Starshot pretende enviar naves del tamaño de un microchip al sistema estelar más cercano para comprobar si hay vida, Breakthrough Listen escucha señales de radio para buscar civilizaciones extraterrestres.
Con los años, el Instituto SETI ha ido mejorando su tecnología y en la actualidad tiene en marcha varios programas para buscar rastros alienígenas en regiones más amplias del cielo mediante distintos sistemas. Su instalación principal son las antenas del Allen Telescope Array (ATA) en California.
También la NASA está interesada en empezar a financiar proyectos SETI que no estén basados en la búsqueda de ondas de radio, que es la estrategia en la que se basa la gran mayoría de esos programas. "La NASA quiere hacer cosas que no haya hecho nadie", señala Héctor Socas, que en septiembre participó en una reunión de expertos en Houston organizada por la agencia espacial de EEUU para conocer cuáles son los tecnomarcadores más interesantes.
De la misma forma que existen biomarcadores para determinar si un planeta puede ser habitable, los científicos buscan tecnomarcadores o rastros de tecnología en otros mundos. Ya en 1960 el físico Freeman Fyson propuso en un artículo publicado en la revista Science una hipotética megaestructura (conocida como la esfera de Dyson) alrededor de una estrella que permitiría a una civilización avanzada aprovechar al máximo la energía de su astro.
En la misma línea, Socas es el autor de un artículo científico en el que propone el uso de telescopios para intentar detectar posibles satélites geoestacionarios construidos por otras civilizaciones. En la Tierra esos satélites están ubicados en una órbita muy precisa, a 36.000 km de distancia, y Socas cree que se podrían detectar en otros mundos con el mismo método de tránsito con el que se detectan ahora los planetas fuera del Sistema Solar.
Aunque admite "que es muy difícil ver estas estructuras en otras estrellas y hay muchas incertidumbres, pues no sabemos cómo es de común es la inteligencia y la tecnología, cada vez somos capaces de observar mejor y eso hace que tengamos más posibilidades de encontrar las civilizaciones".
También se ha propuesto estudiar huellas de calor y de contaminación atmosféricaen otros mundos, asumiendo que la concentración de población y de industria en ciertas zonas darían pistas sobre si están habitados. "El problema es que no tendríamos forma de distinguir esas huellas de un fenómeno natural, pues el calor podría provenir de un volcán, por ejemplo".
Lo mismo ocurre con las señales de radio de las que se ha sospechado que podrían ser artificiales: siempre se puede encontrar una explicación en la naturaleza. Entre ellas destaca la señal Wow!, captada en 1977 por el telescopio Big Ear de Ohio (EEUU). Fue muy potente y duró varios minutos pero no se volvió a repetir. "Tras su detección inicial, la señal ha sido buscada con ahínco, y siempre sin éxito. Mientras no se vuelva a medir, continuará siendo una curiosidad", señala Bachiller.
Años después, un estudio explicó el origen de Wow! en un cometa, pero fue rebatido por otros investigadores. También Bachiller opina que la hipótesis del cometa puede descartarse: "Sin embargo, una interferencia causada por una emisora o algún dispositivo eléctrico (o dentro del propio observatorio) podría haber causado la señal de manera esporádica".
Otra señal intrigante fue la SHGb02+14A, detectada en 2003 desde Arecibo en tres ocasiones pero más débil que Wow!. Fernando Ballesteros cree que "no se puede descartar que fuera ruido".
Como señala Vicent Martínez, el revuelo por la última FRB ha coincidido con los rumores sobre el enigmático asteroide Oumuamua, con una rara forma de puro alargado sobre el que se ha especulado que podría ser un vehículo espacial. "Por la altísima velocidad a la que viaja sabemos que viene de fuera del Sistema Solar.Nunca se había observado un objeto así, que fuera 10 veces más grande de largo que de ancho. Cuando se descubrió estaba muy cerca del Sol y no se vio que emanara gases, como ocurriría si fuera una roca con hielo. Parecía que era una roca inerte pero al empezar a alejarse ha empezado a acelerarse y no tenemos forma de explicar esa aceleración", resume el astrónomo.
Fernando Ballesteros cree que "debe emitir algún tipo de gases, quizás muy tenues y localizados, que explicarían esa aceleración, aunque hay científicos que creen que puede ser compatible con una vela solar, un tipo de tecnología que estamos probando en la Tierra y que se basa en usar el viento y la radiación solar para empujar una nave a velocidades muy altas".
Lo cierto es que todo los que tiene que ver con extraterrestres causa gran expectación pero mientras hay científicos como Silvano Colombano, del Centro Ames de la NASA, que proponen que la búsqueda de vida extraterrestre debería "ser más agresiva" y se debe dedicar más esfuerzos a ella, para otros es una pérdida de tiempo y dinero. Andrés Pérez es de los que piensa que es muy importante destinar dinero a esa búsqueda: "El universo es tan vasto que no podemos pensar que somos los únicos. Lo importante es que se definan los procedimientos y la búsqueda se base en experimentos científicos y no en especulaciones".
"La búsqueda de vida inteligente se realiza a ciegas, tanteando en la completa oscuridad así que las posibilidades de éxito son imposibles de evaluar. Por ello, mientras no tengamos idea de dónde mirar o escuchar, creo que una inversión muy cuantiosa en proyectos específicos para búsqueda de vida inteligente no está bien justificada", opina Rafael Bachiller que, sin embargo, no considera descabellado lo que se está haciendo ahora: "Usar parte del tiempo de observación de algunos radiotelescopios, mientras no están siendo utilizados para astronomía, para dejarlos escuchar esperando a ver si salta la liebre por algún lado".
