La gravedad de la Tierra no es uniforme. Aunque en el día a día no lo notamos, su fuerza varía ligeramente según el lugar, como resultado de la distribución de masas bajo la superficie: montañas, acuíferos subterráneos, capas de hielo, o incluso vacíos geológicos. Estas variaciones sutiles son difíciles de detectar, pero contienen información esencial sobre cómo funciona nuestro planeta. Ahora, un proyecto de la NASA promete observarlas como nunca antes, gracias a un nuevo tipo de sensor cuántico que viajará al espacio.
La investigación, publicada en la revista EPJ Quantum Technology, detalla el diseño y objetivos del primer “quantum gravity gradiometer” (QGG) desarrollado para operar en órbita baja terrestre. Se trata de un instrumento que utiliza átomos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto para medir diferencias en la gravedad con una sensibilidad sin precedentes. Como explica el estudio: “El QGG demostrará por primera vez el concepto de medición y realizará una validación de extremo a extremo de la tecnología subyacente en escenarios operacionales relevantes”.
¿Por qué medir la gravedad desde el espacio?
La gravedad no solo es la fuerza que nos mantiene pegados al suelo. También es una herramienta de diagnóstico para conocer la salud del planeta. Cambios sutiles en el campo gravitatorio pueden indicar, por ejemplo, pérdida de hielo en los polos, descenso del nivel de acuíferos por sequía o extracción, o el ascenso de magma bajo un volcán activo. Instrumentos como los satélites GRACE y GRACE-FO ya han permitido avances clave en este campo, pero con limitaciones.
GRACE-FO puede medir cambios de masa en áreas de más de 150.000 kilómetros cuadrados, y necesita acumular datos durante semanas o meses. Esta escala no permite, por ejemplo, hacer un seguimiento en tiempo real de una sequía local o de una extracción ilegal de agua. De ahí la necesidad de nuevos sensores más sensibles y con mejor resolución. El sensor cuántico que propone la NASA apunta precisamente a cubrir ese vacío.
“Los sensores cuánticos basados en interferometría de átomos ultra fríos han demostrado ser los más sensibles en laboratorios”, señala el artículo, “y, a diferencia de sus equivalentes clásicos, aún no han alcanzado sus límites fundamentales de sensibilidad”. Llevar esta tecnología al espacio permitirá aprovechar al máximo su capacidad, ya que el entorno de microgravedad ofrece condiciones ideales para estos experimentos.
Qué es un gradiometro cuántico y cómo funciona
El principio detrás del instrumento es sencillo de describir, aunque complejo de ejecutar: mide la diferencia en la aceleración de dos objetos libres situados a corta distancia. Si uno cae más rápido que el otro, significa que la gravedad es más intensa en ese punto. En el caso del QGG, los objetos no son masas físicas sino nubes de átomos de rubidio enfriados a 100 picoKelvin, una temperatura casi imposible de imaginar.
Estos átomos se comportan como ondas, y sus trayectorias se manipulan con láseres para formar lo que se llama un interferómetro atómico. La diferencia de fase entre las ondas de dos nubes separadas permite medir el gradiente de gravedad entre ellas. El artículo lo resume así: “Un interferómetro gravitacional cuántico realiza interferometría atómica sobre dos muestras frías de átomos separadas espacialmente de forma simultánea, para obtener una medida diferencial de la gravedad”.
Además, se usará un esquema de difracción Bragg multipulsada para aumentar la sensibilidad, transfiriendo múltiples unidades de momento a los átomos con precisión. La técnica permite mantenerlos en el mismo estado cuántico interno, reduciendo errores por interferencias no deseadas. El diseño del interferómetro, y su alineación con el eje transversal del satélite, están optimizados para evitar la necesidad de complejos sistemas de rotación.
Una misión de demostración con grandes ambiciones
Antes de pensar en un instrumento científico operativo, la NASA y sus colaboradores han optado por lanzar un prototipo de prueba. Esta misión pathfinder está concebida como una demostración tecnológica que permita validar cada componente del sistema. El objetivo es confirmar que la tecnología puede operar de forma autónoma en órbita, mantener su sensibilidad durante períodos prolongados y enviar datos confiables a la Tierra.
El instrumento estará alojado en un satélite en órbita polar, muy similar a la de GRACE-FO, lo que permitirá incluso comparaciones entre los datos de ambas misiones. El diseño compacto del QGG —125 kg de peso y 0,25 m³ de volumen— representa un avance importante respecto a otros instrumentos mucho más voluminosos. El sistema está dividido en varios módulos: un paquete de física atómica, un sistema óptico láser, electrónica integrada de control y unidad de energía.
Una de las innovaciones destacadas es que las dos nubes de átomos se generan a partir de una sola fuente, que luego es dividida y transportada mediante redes ópticas. Esto permite controlar con precisión la distancia entre ellas (0,3 metros) y evita problemas de sincronización entre fuentes independientes. La técnica se apoya en el uso de condensados de Bose-Einstein (BEC) y métodos de colimación para mantener las nubes estables durante los 10 segundos de medición.
Qué puede aportar en el futuro un instrumento así
Aunque el objetivo inmediato del QGG es servir como demostrador, los investigadores ya proyectan su aplicación en futuras misiones científicas. Si todo funciona como se espera, un sensor cuántico plenamente operativo podría ofrecer mapas de gravedad con resolución espacial mucho mayor que GRACE-FO, y con una sensibilidad hasta 10 veces superior. Esto transformaría la forma en que se estudian fenómenos como la escasez de agua, el derretimiento polar o la actividad volcánica.
Además, los autores del paper destacan que “un instrumento de grado científico debería tener una desviación estándar de sensibilidad de 10 μE o menor”, lo cual requiere avances en varias áreas, como el tiempo de interrogación (debería aumentarse a 15 segundos), la longitud del interferómetro (idealmente 2 metros) y la producción de nubes atómicas de mayor tamaño y menor temperatura. Todos estos retos se podrían abordar si la misión pathfinder confirma la viabilidad del concepto.
Las implicaciones van más allá de la Tierra. Un gradiometro cuántico podría servir para estudiar planetas como Marte o lunas heladas como Europa, donde la gravedad también puede revelar información sobre estructuras internas o reservas ocultas de agua. Asimismo, es una herramienta prometedora para investigar principios fundamentales de la física en condiciones extremas, como el principio de equivalencia o la estructura del espacio-tiempo.
Referencias
- Ben Stray, Xavier Bosch-Lluis, Robert Thompson, Clayton Okino, Nan Yu, Norman Lay, Brian Muirhead, Jason Hyon, Holly Leopardi, Peter Brereton, Anand Mylapore, Bryant Loomis, Scott Luthcke, Parminder Ghuman, Srinivas Bettadpur, Maike Diana Lachmann, Thomas Stolz, Christopher Kuehl, Dennis Weise, Holger Ahlers, Christian Schubert, Ahmad Bawamia y Sheng-wey Chiow (2025). Quantum gravity gradiometry for future mass change science. EPJ Quantum Technology. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-025-00338-1.
Cortesía de Muy Interesante
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