Einstein überprüfen – Experimentos de precisión con láser en el espacio

Módulo espacial de alto rendimiento: Láser de diodo de cavidad extendida microintegrado (ECDL) para espectroscopía en átomos de rubidio en el espacio. Con esto, se realizaron pruebas a bordo del cohete de investigación de alturas FOKUS el 23.4.2015. El objetivo es demostrar si diferentes tipos de relojes en el espacio realmente marcan lo mismo, como afirmó Einstein. (© FBH/P.Immerz)

Según Albert Einstein, los relojes se atrasan más cuanto más profundo se encuentren en el potencial gravitacional de una masa, es decir, cuanto más cerca estén, por ejemplo, de un cuerpo celeste. Este efecto se conoce en la Teoría de la Relatividad General como desplazamiento gravitacional hacia el rojo, y se manifiesta en líneas espectrales que se desplazan hacia el extremo rojo del espectro. La Teoría de la Relatividad General también predice que el ritmo de todos los relojes se ve afectado de la misma manera por la gravedad, independientemente de cómo estén realizados física o técnicamente. Sin embargo, teorías más recientes de la gravedad sugieren que el tipo de reloj sí puede influir en la magnitud del desplazamiento gravitacional hacia el rojo.

Para probar esto, en el proyecto FOKUS, financiado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), se enviaron hoy diferentes tipos de relojes al espacio mediante un cohete de investigación en altitud y luego se recuperaron. Allí se presentan las mejores condiciones de prueba, ya que el potencial gravitacional varía especialmente fuerte. Así, se puede comprobar si el ritmo de los relojes realmente difiere, y en última instancia, si alguna de las teorías de la gravedad más recientes proporciona una descripción más precisa que Einstein. Los primeros experimentos en el espacio se realizaron con éxito: un equipo de científicos envió al espacio un oscilador de cuarzo de alta estabilidad, que funciona como un reloj moderno de pulsera en el rango de radiofrecuencia, y un sistema láser completo para comparación. La pieza central del sistema láser es un módulo láser semiconductor microintegrado, desarrollado, construido y probado en el Instituto Ferdinand-Braun de Berlín, Instituto Leibniz para la Tecnología de Alta Frecuencia (FBH). La integración total del sistema láser se realizó en la Universidad Humboldt de Berlín. La frecuencia del láser de semiconductores se estabiliza en un módulo desarrollado por la Universidad de Hamburgo, en una transición atómica del átomo de rubidio. Estos átomos de rubidio, en conjunto con los láseres, constituyen un "reloj atómico óptico" que funciona físicamente según un principio diferente al del reloj de cuarzo y que "tictaque" aproximadamente diez millones de veces más rápido que este. Para comparar el ritmo de ambos relojes, se utiliza una rejilla de frecuencia óptica desarrollada por la empresa líder en el proyecto, Menlo Systems.

Los científicos demostraron por primera vez con estas pruebas que estos "relojes atómicos ópticos" y los sistemas láser necesarios para ellos pueden utilizarse en el espacio para pruebas del desplazamiento gravitacional hacia el rojo y otras mediciones de precisión. Con esta demostración tecnológica avanzada, también sentaron las bases tecnológicas para pruebas del principio de equivalencia de Einstein con interferómetros de átomos de potasio y rubidio en el marco del proyecto MAIUS. MAIUS forma parte de la misión QUANTUS, financiada por el DLR, en la que se desarrollarán nuevas tecnologías de física cuántica para enfriar, capturar y manipular átomos. Además, se pretende avanzar en la miniaturización de los módulos láser y probar un sensor cuántico totalmente automatizado en el espacio. El objetivo a largo plazo es verificar el principio de equivalencia de Einstein, según el cual todos los cuerpos caen "igual de rápido" en un potencial gravitacional.

Módulos láser de diodo compactos y extremadamente robustos del FBH para el espacio

Numerosos experimentos en caída libre en el Centro para la Tecnología Aeroespacial Aplicada y Microgravedad (ZARM) en Bremen prepararon el experimento sofisticado en el espacio. El módulo láser fue desarrollado en el Instituto Ferdinand-Braun en el marco del Laboratorio Conjunto de Metrología Láser con el grupo de trabajo de Metrología Óptica de la HU Berlín. Este laboratorio conjunto investiga y desarrolla desde hace tiempo módulos láser de semiconductores ultracompactos y de alta precisión para su uso en el espacio. Su núcleo es un láser DFB (feedback distribuido), que emite luz en un rango de frecuencia o longitud de onda muy estrecho. Esta estrechez espectral es uno de los requisitos centrales para el módulo láser, necesario para la espectroscopía de los átomos de rubidio y, por tanto, para mediciones de precisión. Gracias a una tecnología de microintegración híbrida única en el mundo, el chip láser de diodo se integra junto con componentes electrónicas y ópticas en una estructura extremadamente compacta y apta para cohetes. Finalmente, estos módulos, que tienen solo el tamaño de la palma de la mano, deben funcionar sin problemas también en las condiciones extremas del espacio. Durante el lanzamiento en cohete, están expuestos a fuertes cargas mecánicas, con aceleraciones hasta ocho veces la gravedad terrestre. "Nuestra tecnología de integración también permite soportar cargas hasta 30 veces la gravedad terrestre", afirma el Dr. Andreas Wicht, quien dirige el grupo de trabajo de Metrología Láser en el FBH, y considera que están bien preparados para futuras exigencias. "Además, estamos trabajando en láseres aún más estrechos en banda espectral, con amplificadores ópticos híbridos integrados, que son ideales para experimentos aún más complejos". Con esto, el FBH también amplía su conocimiento en mediciones de precisión ópticas y espectroscópicas, que son algunos de los métodos de medición más precisos y exactos de nuestro tiempo, abriendo nuevas aplicaciones.