Estação espacial chinesa arrefece átomos a 9,7 picokelvin, um recorde de frio

Uma nuvem de átomos de rubídio a bordo da estação espacial chinesa Tiangong foi arrefecida a menos de dez bilionésimos de grau acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa já registada para um gás de átomos. Isto é cerca de quatro vezes mais frio do que o melhor resultado alguma vez alcançado, na Terra ou em órbita.

O recorde é menos importante pelo número do que por aquilo que proporciona. A essa temperatura, os átomos afastam-se tão lentamente que a equipa conseguiu observar a nuvem durante sete segundos depois de a libertar, uma janela suficientemente longa para testar a gravidade, o comportamento quântico e possivelmente a matéria escura com uma precisão que nenhum laboratório terrestre consegue atingir.

Os átomos formaram um condensado de Bose-Einstein, um estado da matéria em que milhares de átomos perdem a sua individualidade e se comportam como uma única onda quântica. Investigadores da Universidade de Pequim, do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai e do Centro de Engenharia e Tecnologia para a Utilização Espacial da Academia Chinesa de Ciências realizaram a experiência no módulo de física de átomos frios do laboratório Mengtian da estação, e relataram-na na revista Science.

A nuvem continha 20.000 átomos de rubídio-87. A sua temperatura equivalente foi de 9,7 picokelvin, com uma incerteza entre 7,0 e 12,9 picokelvin. O valor mais baixo anterior para um sistema deste tipo era de 38 picokelvin, e o Laboratório de Átomos Frios da NASA na Estação Espacial Internacional tinha atingido 52.

Como um laboratório de dez toneladas foi comprimido num módulo da estação

Arrefecer átomos significa abrandá-los. A equipa aprisionou o rubídio com feixes laser cruzados, uma configuração chamada armadilha dipolar óptica, e depois reduziu a potência do laser passo a passo para que os átomos mais energéticos pudessem escapar. Este é o arrefecimento evaporativo, o mesmo princípio que arrefece uma chávena de café quando as moléculas mais quentes saem sob a forma de vapor.

Em microgravidade, este truque funciona menos bem, porque os átomos já não se depositam no fundo da armadilha onde se encontra a via de escape. Os investigadores adicionaram um fraco gradiente magnético para orientar a evaporação e obter um condensado. Uma fase final, uma expansão não-adiabática súbita da armadilha, abrandou ainda mais os átomos.

Todos os outros recordes deste tipo usaram armadilhas magnéticas construídas em chips de átomos. Os lasers são mais difíceis de operar em órbita, mas são menos sensíveis a interferências magnéticas, deixam mais espaço para acesso óptico e podem conter átomos que ignoram completamente os campos magnéticos. “O desafio de engenharia foi concentrar múltiplas tecnologias de ponta sob requisitos aeroespaciais rigorosos”, disse Li Tang, investigador do instituto de Xangai, segundo a Xinhua.

A versão terrestre da experiência ocupa cerca de 20 metros cúbicos e pesa cerca de 10 toneladas. O módulo de voo ocupa 0,7 metros cúbicos e meia tonelada, com o seu sistema de vácuo ultra-alto, lasers de fibra de alta potência e óptica de frequência estabilizada a funcionar automaticamente, sob limites de energia apertados.

Centenas de milhares de milhões de vezes mais frio que o espaço profundo

O zero absoluto, menos 273,15 graus Celsius, é o ponto onde o movimento atómico pararia completamente. O espaço vazio não é tão frio: o ténue brilho residual do Big Bang mantém-no a cerca de 2,7 graus acima do zero absoluto. Medido na escala kelvin, a nuvem da Tiangong estava cerca de 280 mil milhões de vezes mais fria do que isso.

O melhor resultado anterior, 38 picokelvin, veio de uma equipa alemã que deixou cair uma experiência de chip de átomo na torre de queda de Bremen para obter alguns segundos de ausência de peso. As torres de queda ficam sem altura. Uma estação orbital está em queda livre permanente, pelo que a experiência pode continuar enquanto os átomos se mantiverem coerentes.

O tempo de observação é onde a diferença mais se alarga. As experiências terrestres podem seguir uma nuvem libertada durante cerca de 0,05 segundos antes de ela cair fora do campo de visão, a Estação Espacial Internacional consegue aproximadamente um segundo, e a estação chinesa atinge agora sete, segundo a equipa. “Na Terra, cairia cerca de 250 metros, por isso iria na verdade embater no chão a menos que se tenha uma câmara de vácuo com 250 metros de altura”, disse Wolfgang Ketterle, o físico do MIT que partilhou o Prémio Nobel pela criação dos condensados de Bose-Einstein, em declarações à CGTN chinesa.

O que a temperatura equivalente significa e não significa

Os 9,7 picokelvin não são uma leitura de termómetro. Os investigadores inferem-na a partir da lentidão com que a nuvem se expande após ser libertada, convertendo essa velocidade de expansão na temperatura que um gás precisaria para se mover tão lentamente. O valor descreve apenas os átomos: os investigadores salientam que o equipamento e o seu ambiente nunca se aproximaram dessa temperatura.

A barra de erro é ampla, cerca de 30 por cento para cada lado, e o resultado provém de uma única instalação e ainda não foi reproduzido de forma independente. As comparações com recordes mais antigos também misturam métodos: torres de queda, chips magnéticos e agora armadilhas laser atingem os seus números através de diferentes métodos de aprisionamento e arrefecimento final, pelo que a diferença é um guia, não uma classificação precisa.

A nuvem é também pequena. Vinte mil átomos são suficientes para um condensado limpo, mas os instrumentos de precisão ganham sensibilidade com amostras maiores. Se o sistema consegue fornecer simultaneamente mais átomos e uma longa coerência de forma rotineira é a questão de engenharia em aberto.

Porque é que sete segundos importam mais do que o recorde

Um interferómetro de átomos divide a onda quântica de cada átomo em dois caminhos e recombina-os, transformando pequenas diferenças na aceleração num sinal mensurável. A sua sensibilidade cresce com o quadrado do tempo que os átomos passam no seu interior. “Os interferómetros de átomos beneficiam enormemente de fontes que fornecem um grande número de átomos num conjunto ultrafrio e longos tempos de observação”, disse Ernst Rasel, físico da Universidade Leibniz de Hanôver, em comentários divulgados pela CGTN.

Tais instrumentos poderiam mapear o campo gravítico da Terra a partir da órbita e testar se objectos de diferentes composições caem realmente à mesma velocidade, um pilar da relatividade de Einstein. As armadilhas laser podem também ser moldadas em redes ópticas, grelhas de luz que seguram os átomos como um cristal e permitem aos físicos simular materiais que são difíceis de estudar directamente. “Quanto mais tempo pudermos observar, maior é a probabilidade de encontrarmos fenómenos físicos novos e mais ténues”, disse Xiong Wei, da Universidade de Pequim, co-primeiro autor do artigo, segundo a Xinhua.

Perguntas frequentes sobre a temperatura mais baixa alguma vez registada

Qual é a temperatura mais baixa alguma vez registada?

Para um gás de átomos, a temperatura equivalente mais baixa reportada até agora é de 9,7 picokelvin, alcançada a bordo da estação espacial chinesa Tiangong. Isto é 9,7 bilionésimos de grau acima do zero absoluto. O recorde anterior era de 38 picokelvin.

O que é um condensado de Bose-Einstein?

É um estado da matéria que se forma quando um gás de certos átomos é arrefecido perto do zero absoluto. Os átomos caem no mesmo estado quântico e agem como uma única onda, o que torna os efeitos quânticos visíveis a uma escala suficientemente grande para serem fotografados.

Porque é que as experiências com átomos frios funcionam melhor no espaço?

Na Terra, a gravidade puxa os átomos para fora das armadilhas fracas e faz com que uma nuvem libertada caia numa fracção de segundo. Em órbita, os átomos flutuam, pelo que a armadilha pode ser mais suave, o que os arrefece ainda mais, e a nuvem pode ser observada durante vários segundos.

Pode alguma coisa atingir o zero absoluto?

Não. As leis da termodinâmica proíbem atingir exatamente zero kelvin, pelo que as experiências só podem aproximar-se cada vez mais. Cada passo em baixo torna-se mais difícil, razão pela qual passar de 38 para menos de 10 picokelvin conta como um grande salto.

Um laboratório orbital aberto a equipas externas

O módulo de átomos frios foi lançado com o módulo Mengtian em 2022, após um projeto cujos primeiros estudos de viabilidade começaram em 2011, e o recorde foi publicado online na Science a 5 de novembro de 2026. Rasel vê o próximo passo como interferómetros em órbita que mantenham os átomos coerentemente divididos durante vários segundos. Lyu Congmin, designer-chefe do sistema de aplicação espacial do programa espacial tripulado chinês, disse que o módulo está aberto a cientistas de todo o mundo que queiram realizar as suas próprias experiências nele.

Referência: Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Etiquetas: física, física quântica, Academia Chinesa de Ciências, condensado de Bose-Einstein, Mengtian, Tiangong