Temperatura mais baixa já registrada: 10 picokelvin no espaço

Qual é a temperatura mais baixa já registrada?

A temperatura mais baixa já registrada é uma temperatura equivalente de 9,7 picokelvin, obtida a bordo da estação espacial chinesa e publicada na revista Science em 5 de novembro de 2026 ^[1][2]. Um picokelvin é um trilionésimo de kelvin, de modo que os átomos estavam a menos de dez trilionésimos de grau acima do zero absoluto ^[2].

O artigo científico, intitulado "Quantum gases below 10 picokelvin in space", relata um condensado de Bose-Einstein (BEC) de 2,0 × 10^4, ou 20.000, átomos que atingiu essa temperatura equivalente com um tempo de expansão livre de 7,0 segundos ^[1]. A equipe usou átomos de rubídio ^[2][3].

A reportagem da Science diz que o resultado reduziu a temperatura mais baixa já alcançada por um fator de quatro ^[2]. Ernst Rasel, físico quântico da Universidade Leibniz de Hanôver cuja equipe registrou o recorde anterior em 2021, disse à Science: "Parabenizo os cientistas. Estou muito impressionado" ^[2].

Muitas manchetes arredondam o valor para 10 picokelvin. Os dois números aparecem na cobertura: o artigo informa menos de 10 pK, e o repórter da Science descreve as velocidades finais dos átomos como equivalentes a cerca de 10 pK ^[1][2].

Quão frios são 10 picokelvin em comparação com o espaço?

Muito mais frios do que qualquer coisa na natureza que os astrônomos conheçam. O espaço vazio está preenchido pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que a NASA mede em cerca de 2,725 kelvin ^[5]. Dividindo 2,725 K por 9,7 pK, vê-se que o brilho de fundo do Universo é cerca de 280 bilhões de vezes mais quente que os átomos da Tiangong.

O zero absoluto, 0 kelvin, equivale a menos 273,15 °C ou menos 459,67 °F ^[4]. Nessas escalas, o novo recorde é indistinguível do zero absoluto, e é por isso que os físicos usam o kelvin e suas subdivisões minúsculas:

• Nanokelvin (nK): um bilionésimo de kelvin. Os primeiros experimentos com BEC chegaram a cerca de 100 nK ^[2].
• Picokelvin (pK): um trilionésimo de kelvin. Os experimentos espaciais agora estão nessa faixa ^[1][2].

Acredita-se que chegar exatamente a zero seja impossível. Uma versão da terceira lei da termodinâmica diz que atingir o zero absoluto exigiria um número infinito de etapas, explicou Saibal Mitra, físico entrevistado pela Live Science ^[4].

Como os cientistas chegaram a 10 picokelvin?

Aprisionando átomos de rubídio com lasers em microgravidade, deixando escapar os mais quentes e depois permitindo que os restantes se espalhassem suavemente ^[2][3]. Segundo o relato da Science, as etapas foram ^[2]:

1. Aprisionar: cerca de 2 milhões de átomos de rubídio foram mantidos em uma armadilha óptica interna de 54 micrômetros de largura, formada onde dois feixes de laser intensos se cruzam. Os lasers operavam a 5 watts.
2. Evaporar: a potência foi reduzida gradualmente até 0,2 miliwatt, deixando escapar os átomos mais energéticos. Os 20.000 átomos restantes esfriaram até 3 nK.
3. Expandir: os átomos puderam se espalhar por uma armadilha mais larga, de 124 micrômetros, o que reduziu a intensidade de suas interações. No final, eles se moviam a menos de 100 micrômetros por segundo.

"Mantemos o mesmo número de átomos. Só a energia de interação muda", disse Xuzong Chen, da Universidade de Pequim, cientista-chefe do instrumento ^[2]. O Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai acrescenta que o resfriamento evaporativo em uma armadilha óptica funciona pior em microgravidade, por isso a equipe usou um gradiente magnético adicional para ajudar a produzir o condensado ^[3].

O instrumento é o Cold Atom Physics Rack, no módulo de laboratório Mengtian da estação, lançado em 2022 ^[2][3]. O instituto afirma que seus desenvolvedores reduziram um sistema de solo de cerca de 20 metros cúbicos e 10 toneladas a um instrumento de voo de cerca de 0,7 metro cúbico e meia tonelada ^[3].

9,7 picokelvin é uma temperatura de verdade?

É uma temperatura equivalente que descreve a lentidão com que os átomos se movem, e não uma leitura de termômetro ^[3]. O instituto de Xangai afirma que o valor de 9,7 pK "caracteriza a expansão extremamente lenta dos átomos" e não significa que o equipamento ou o ambiente ao redor tenha atingido a mesma temperatura ^[3].

O próprio artigo científico usa a expressão "temperatura equivalente" ^[1]. Os cientistas a estimam a partir da velocidade com que a nuvem de átomos liberada se espalha; quanto mais lenta a dispersão, menor a energia ^[2][3]. A Science informa que as velocidades finais ficaram abaixo de 100 micrômetros por segundo ^[2]. A reportagem do Phys.org sobre o artigo apresenta uma faixa de incerteza de 7,0 a 12,9 pK em torno do valor de 9,7 pK ^[7].

Essa distinção importa ao comparar recordes. O recorde anterior, de 38 pK, e os 52 pK da NASA também são temperaturas efetivas inferidas da rapidez com que a nuvem se expande, portanto a comparação é entre grandezas do mesmo tipo, embora os experimentos difiram no método ^[2][6][7]. Comparações com a temperatura de uma geladeira, de um planeta ou do espaço profundo são úteis para dar noção de escala, mas não são física precisa.

Por que o recorde foi batido no espaço e não na Terra?

A gravidade puxa os átomos ultrafrios para baixo, o que obriga os cientistas a mantê-los em armadilhas mais fortes, que os deixam mais quentes ^[2][3]. A Science explica que a gravidade comprime os átomos contra os campos que os sustentam, elevando sua temperatura ^[2]. Em órbita, a armadilha pode ser muito mais fraca e os átomos podem ser observados por mais tempo ^[3].

O físico Wolfgang Ketterle, do MIT, Nobel de 2001, deu uma ideia da dimensão da observação de sete segundos: "Na Terra, ela cairia cerca de 250 metros, então bateria no chão, a menos que houvesse uma câmara de vácuo de 250 metros de altura" ^[3].

As tentativas anteriores de escapar da gravidade incluíram soltar chips atômicos em torres de queda e lançá-los em foguetes suborbitais ^[2]. A NASA lançou seu Cold Atom Laboratory à Estação Espacial Internacional em 2018 ^[2], e um condensado de Bose-Einstein produzido na estação chegou a temperaturas efetivas de até 52 pK, relatadas na Nature Communications em 2022 ^[6]. O recorde anterior, de 38 pK com 2 segundos de expansão livre, veio de uma armadilha magnética com chip atômico em microgravidade ^[1]; a Science News o descreve como um experimento em torre de queda publicado em 2021 ^[6].

O instrumento chinês é diferente porque usa armadilhas ópticas, feitas de luz laser, em vez de magnéticas ^[1][2]. O artigo observa que armadilhas ópticas ainda não haviam sido usadas para preparar gases quânticos assim em microgravidade ^[1].

O que é um condensado de Bose-Einstein?

Um condensado de Bose-Einstein é um estado da matéria em que átomos muito frios se reúnem em uma única onda quântica e se comportam de forma coletiva ^[2][3]. A Science o compara aos fótons de um feixe de laser e observa que os átomos de um BEC podem fluir sem resistência e criar padrões de interferência ^[2].

Satyendra Nath Bose e Albert Einstein previram os condensados em 1924; duas equipes os produziram pela primeira vez em 1995, uma com rubídio-87 e outra com sódio-23, trabalho reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2001 ^[2]. A Live Science descreve o condensado como algo que se comporta de modo semelhante a um único átomo ^[4].

Como os efeitos são visíveis em escalas muito maiores que a de átomos individuais, os BECs permitem estudar o comportamento quântico diretamente ^[3]. Para uma introdução acessível a ideias relacionadas, veja Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not. Para outra história de ciência espacial desta semana, veja Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows.

Para que podem servir átomos ultrafrios no espaço?

Principalmente medições de precisão e simulação quântica; os pesquisadores e especialistas independentes os descrevem como direções para trabalhos futuros ^[2][3].

• Testar a gravidade: longos tempos de expansão são ideais para experimentos de interferência que poderiam testar se a gravidade atua igualmente sobre todos os tipos de átomos, como a relatividade geral pressupõe, informa a Science ^[2]. "Os 7 segundos são um parâmetro de mérito ainda mais importante que os 10 picokelvin", disse Holger Mueller, da UC Berkeley ^[2].
• Interferômetros atômicos: Rasel disse ao instituto de Xangai que a sensibilidade desses instrumentos aumenta com o quadrado do tempo que os átomos passam no equipamento, e que tais ferramentas poderiam ajudar a medir o campo gravitacional da Terra e a testar modelos de matéria escura ^[3].
• Simulação quântica: a equipe planeja usar redes ópticas, grades de pontos de laser que imitam um cristal, para simular efeitos ligados à supercondutividade de alta temperatura ^[2][3].
• Átomos mistos: Hélène Perrin, da Universidade Sorbonne Paris Nord, observou que armadilhas ópticas podem manter átomos em diferentes estados internos ao mesmo tempo ^[2].

Weibiao Chen, do instituto de Xangai, disse à Science que o rack está "aberto à comunidade internacional" ^[2]. Nenhuma dessas aplicações foi demonstrada ainda com este instrumento.