La Station spatiale internationale abrite officiellement l'expérience la plus cool dans l'espace.

Le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA a été installé dans le laboratoire scientifique américain de la station fin mai et produit maintenant des nuages ​​d'atomes ultrafroids connus sous le nom de condensats de Bose-Einstein. Ces "BEC" atteignent des températures juste au-dessus du zéro absolu, le point auquel les atomes devraient théoriquement cesser de bouger complètement. C'est la première fois que des BEC sont produits en orbite.

CAL est une installation multi-utilisateurs dédiée à l'étude des lois fondamentales de la nature à l'aide de gaz quantiques ultrafroids en microgravité. Les atomes froids ont une longue durée de vie, des particules quantiques contrôlées avec précision qui fournissent une plate-forme idéale pour l'étude des phénomènes quantiques et des applications potentielles des technologies quantiques. Cette installation de la NASA est la première du genre dans l'espace. Il est conçu pour améliorer la capacité des scientifiques à effectuer des mesures de précision de la gravité, sonder des problèmes de longue date en physique quantique (l'étude de l'univers aux plus petites échelles), et explorer la nature ondulatoire de la matière.

"Faire fonctionner une expérience BEC sur la station spatiale est un rêve devenu réalité, " a déclaré Robert Thompson, Scientifique du projet CAL et physicien au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie. "Cela fait longtemps, route difficile pour arriver ici, mais ça vaut vraiment le coup, car il y a tellement de choses que nous allons pouvoir faire avec cette installation."

Les scientifiques du CAL ont confirmé la semaine dernière que l'installation avait produit des BEC à partir d'atomes de rubidium, avec des températures aussi basses que 100 nanoKelvin, ou un dix millionième d'un Kelvin au-dessus du zéro absolu. (Zéro absolu, ou zéro Kelvin, est égal à moins 459 degrés Fahrenheit, ou moins 273 degrés Celsius). C'est plus froid que la température moyenne de l'espace, qui est d'environ 3 Kelvin (moins 454 degrés Fahrenheit/moins 270 degrés Celsius). Mais les scientifiques du CAL voient encore plus bas, et attendez-vous à atteindre des températures plus froides que celles obtenues par les expériences BEC sur Terre.

A ces températures ultra-froides, les atomes d'un BEC commencent à se comporter comme rien d'autre sur Terre. En réalité, Les BEC sont caractérisés comme un cinquième état de la matière, distinct des gaz, liquides, solides et plasma. Dans un BEC, les atomes agissent plus comme des ondes que comme des particules. La nature ondulatoire des atomes n'est généralement observable qu'à des échelles microscopiques, mais les BEC rendent ce phénomène macroscopique, et donc beaucoup plus facile à étudier. Les atomes ultrafroids prennent tous leur état d'énergie le plus bas, et prendre la même identité d'onde, deviennent indiscernables les uns des autres. Ensemble, les nuages ​​d'atomes sont comme un seul "super atome, " au lieu d'atomes individuels.

Pas un simple instrument

"Le CAL est un instrument extrêmement compliqué, " a déclaré Robert Shotwell, ingénieur en chef de la direction d'astronomie et de physique du JPL, qui a supervisé ce projet ambitieux depuis février 2017. « En règle générale, Les expériences BEC impliquent suffisamment d'équipements pour remplir une pièce et nécessitent une surveillance quasi constante par des scientifiques, alors que CAL a à peu près la taille d'un petit réfrigérateur et peut être actionné à distance depuis la Terre. C'était un combat qui a nécessité des efforts importants pour surmonter tous les obstacles nécessaires à la production de l'installation sophistiquée qui fonctionne aujourd'hui sur la station spatiale. »

Les premiers BEC de laboratoire ont été produits en 1995, mais le phénomène a été prédit pour la première fois 71 ans plus tôt par les physiciens Satyendra Nath Bose et Albert Einstein. Eric Cornell, Carl Wienman et Wolfgang Ketterle ont partagé le prix Nobel de physique 2001 pour avoir été les premiers à créer et caractériser des BEC en laboratoire. Cinq groupes scientifiques, y compris des groupes dirigés par Cornell et Ketterle, mènera des expériences avec CAL au cours de sa première année. Des centaines d'expériences BEC ont été menées sur Terre depuis le milieu des années 1990, et quelques expériences BEC ont même effectué de brefs voyages dans l'espace à bord de fusées-sondes. Mais CAL est la première installation de ce type sur la station spatiale, où les scientifiques peuvent mener des études quotidiennes des BEC sur de longues périodes.

Les BEC sont créés dans des pièges à atomes, ou des conteneurs sans friction fabriqués à partir de champs magnétiques ou de lasers focalisés. Sur Terre, quand ces pièges sont fermés, la gravité tire sur les atomes ultrafroids et ils ne peuvent être étudiés que pendant des fractions de seconde. La microgravité persistante de la station spatiale permet aux scientifiques d'observer les BEC individuels pendant cinq à 10 secondes à la fois, avec la possibilité de répéter ces mesures jusqu'à six heures par jour. Au fur et à mesure que le nuage d'atomes se décompresse à l'intérieur du piège à atomes, sa température baisse naturellement, et plus le nuage reste longtemps dans le piège, plus il fait froid. Ce phénomène naturel (qu'une baisse de pression signifie aussi une baisse de température) est aussi la raison pour laquelle un pot de peinture en aérosol se refroidit lorsque la peinture est projetée :la pression interne du pot baisse. En microgravité, les BEC peuvent décompresser à des températures plus froides que n'importe quel instrument terrestre. Les opérations quotidiennes de CAL ne nécessitent aucune intervention des astronautes à bord de la station.

En plus des BEC fabriqués à partir d'atomes de rubidium, l'équipe CAL travaille à la fabrication de BEC en utilisant deux isotopes différents d'atomes de potassium.

CAL est actuellement en phase de mise en service, dans lequel l'équipe d'exploitation effectue une longue série de tests pour bien comprendre le fonctionnement de l'installation CAL en microgravité.

« Il existe une équipe de scientifiques répartis dans le monde entier, prêts et enthousiastes à l'idée d'utiliser cette installation, " a déclaré Kamal Oudrhiri, Chargé de mission du JPL pour le CAL. "La diversité des expériences qu'ils prévoient de réaliser signifie qu'il existe de nombreuses techniques de manipulation et de refroidissement des atomes que nous devons adapter à la microgravité, avant de remettre l'instrument aux chercheurs principaux pour commencer les opérations scientifiques. » La phase scientifique devrait commencer début septembre et durera trois ans.

Le Cold Atom Laboratory a été lancé vers la station spatiale le 21 mai 2018, à bord d'un vaisseau spatial Cygnus Northrop Grumman (anciennement Orbital ATK) de l'installation de vol Wallops de la NASA en Virginie. Conçu et construit au JPL, CAL est parrainé par le Programme de la Station spatiale internationale au Johnson Space Center de la NASA à Houston, et la Division de la recherche et des applications en sciences physiques et de la vie spatiale (SLPSRA) de la Direction des missions d'exploration et d'opérations humaines de la NASA au siège de la NASA à Washington.