Quel est l'endroit le plus froid auquel vous pouvez penser ? Les températures un jour d'hiver en Antarctique descendent jusqu'à -120 ºF (-85 ºC). Du côté obscur de la Lune, ils ont atteint -280ºF (-173ºC). Mais à l'intérieur du Cold Atom Laboratory de la NASA sur la Station spatiale internationale, les scientifiques créent quelque chose d'encore plus froid.

Le Cold Atom Lab (CAL) est la première installation en orbite à produire des nuages ​​d'atomes « ultrafroids », qui peut atteindre une fraction de degré au-dessus du zéro absolu :-459ºF (-273ºC), la température la plus froide absolue que la matière puisse atteindre. Rien dans la nature n'est connu pour atteindre les températures atteintes dans les laboratoires comme CAL, ce qui signifie que l'installation en orbite est régulièrement l'endroit connu le plus froid de l'univers.

Le Cold Atom Laboratory de la NASA sur la Station spatiale internationale est régulièrement l'endroit le plus froid connu de l'univers. Mais pourquoi les scientifiques produisent-ils des nuages ​​d'atomes à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu ? Et pourquoi ont-ils besoin de le faire dans l'espace ? La physique quantique, bien sûr.

Sept mois après son 21 mai, 2018, lancement vers la station spatiale depuis l'installation de vol Wallops de la NASA en Virginie, CAL produit quotidiennement des atomes ultrafroids. Cinq équipes de scientifiques réaliseront des expériences sur CAL au cours de sa première année, et trois expériences sont déjà en cours.

Pourquoi refroidir les atomes à un niveau aussi bas ? Les atomes à température ambiante se déplacent généralement comme des colibris hyperactifs, mais les atomes ultrafroids se déplacent beaucoup plus lentement que même un escargot. Les spécificités varient, mais les atomes ultrafroids peuvent être supérieurs à 200, 000 fois plus lent que les atomes à température ambiante. Cela ouvre de nouvelles façons d'étudier les atomes ainsi que de nouvelles façons de les utiliser pour l'étude d'autres phénomènes physiques. L'objectif scientifique principal du CAL est de mener des recherches en physique fondamentale pour essayer de comprendre le fonctionnement de la nature aux niveaux les plus fondamentaux.

"Avec le CAL, nous commençons à avoir une compréhension très approfondie du comportement des atomes en microgravité, comment les manipuler, comment le système est différent de ceux que nous utilisons sur Terre, " a déclaré Rob Thompson, un physicien des atomes froids au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, et le scientifique de la mission pour CAL. "Ce sont toutes ces connaissances qui vont jeter les bases de ce que j'espère être un long avenir de la science des atomes froids dans l'espace."

Les laboratoires sur Terre peuvent produire des atomes ultrafroids, mais sur le terrain, la gravité tire sur les nuages ​​​​d'atomes refroidis et ils tombent rapidement, ne donnant aux scientifiques que quelques fractions de seconde pour les observer. Les champs magnétiques peuvent être utilisés pour « piéger » les atomes et les maintenir immobiles, mais cela restreint leur mouvement naturel. En microgravité, les nuages ​​d'atomes froids flottent beaucoup plus longtemps, donnant aux scientifiques une vue étendue de leur comportement.

Le processus de création des nuages ​​d'atomes froids commence par des lasers qui commencent à abaisser la température en ralentissant les atomes. Les ondes radio coupent les membres les plus chauds du groupe, abaissant davantage la température moyenne. Finalement, les atomes sont libérés d'un piège magnétique et autorisés à se dilater. Cela provoque une chute de pression qui, à son tour, provoque naturellement une nouvelle baisse de la température du nuage (le même phénomène qui fait qu'une canette d'air comprimé est froide après utilisation). Dans l'espace, le nuage a plus de temps pour s'étendre et ainsi atteindre des températures encore plus basses que ce qui peut être atteint sur Terre - jusqu'à environ un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, peut-être même plus bas.

Les installations d'atomes ultrafroids sur Terre occupent généralement une pièce entière, et dans la plupart, le matériel est laissé exposé afin que les scientifiques puissent ajuster l'appareil si besoin est. La construction d'un laboratoire d'atomes froids pour l'espace a posé plusieurs défis de conception, dont certains modifient la nature fondamentale de ces installations. D'abord, il y avait une question de taille :CAL s'est rendu à la gare en deux morceaux :une boîte en métal un peu plus grande qu'un mini-réfrigérateur et une seconde à peu près de la taille d'un bagage à main. Seconde, CAL a été conçu pour être exploité à distance depuis la Terre, il a donc été construit comme une installation entièrement fermée.

CAL dispose également d'un certain nombre de technologies qui n'ont jamais été volées dans l'espace auparavant, telles que des cellules à vide spécialisées qui contiennent les atomes, qui doivent être scellés si étroitement que presque aucun atome parasite ne peut s'infiltrer. Le laboratoire devait être capable de résister aux secousses du lancement et aux forces extrêmes subies pendant le vol vers la station spatiale. Il a fallu plusieurs années aux équipes pour développer un matériel unique capable de répondre aux besoins précis de refroidissement des atomes dans l'espace.

« Plusieurs parties du système ont nécessité une refonte, et certaines pièces se sont cassées d'une manière que nous n'avions jamais vue auparavant, " a déclaré Robert Shotwell, ingénieur en chef pour l'Astronomie du JPL, Direction de la physique et des technologies spatiales et chef de projet CAL. "L'installation a dû être complètement démolie et remontée trois fois."

Tout le travail acharné et la résolution de problèmes depuis le début de la mission en 2012 ont transformé la vision de l'équipe CAL en réalité en mai dernier. Les membres de l'équipe CAL se sont entretenus via une vidéo en direct avec les astronautes Ricky Arnold et Drew Feustel à bord de la Station spatiale internationale pour l'installation du Cold Atom Laboratory, la deuxième installation d'atomes ultrafroids jamais exploitée dans l'espace, le premier à atteindre l'orbite terrestre et le premier à rester dans l'espace plus de quelques minutes. Le long du chemin, CAL a également satisfait aux exigences minimales fixées par la NASA pour considérer la mission comme un succès et fournit un outil unique pour sonder les mystères de la nature.