Substance ultra-froide créée à bord de l'ISS

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Savoir: la plus étonnante des expériences spatiales commence sur l'ISS.


Le laboratoire de la NASA sur les atomes froids (CAL), installé à bord de la station en mai dernier, a produit une suspension d'atomes ultra-froids, également appelés condensats de Bose-Einstein (BEC). LE POIDS est à une température d'une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, le point auquel, théoriquement, le mouvement thermique des particules s'arrête dans n'importe quelle substance. Auparavant, de telles expériences n'étaient menées que sur Terre.


À bord de l'ISS, la NASA Cold Atom Plant produira des atomes ultra-froids pour mener des expériences dans le domaine de la physique quantique dans des conditions de microgravité. Les atomes sont refroidis à un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu (en moyenne, il est dix milliards de fois plus froid que dans l'espace lointain). Les physiciens pensent qu'observer le comportement inhabituel des particules à des températures aussi basses donnera des réponses aux questions sur la structure fondamentale de la matière.

CAL est une installation multi-utilisateurs conçue pour étudier les fondements de base du monde en utilisant des atomes ultra-froids en microgravité. Les atomes «froids» sont des particules à longue durée de vie (selon les normes quantiques) qui peuvent être contrôlées avec une grande précision; ainsi, ils sont idéaux pour considérer les phénomènes quantiques et l'application potentielle des technologies quantiques.

Un tel instrument est mis en orbite pour la première fois; On prévoit qu'il deviendra un outil puissant pour des mesures ultra-précises du champ gravitationnel, des études des problèmes de longue date de la physique quantique et la compréhension de la nature ondulatoire de la matière.


Une série de graphiques montre l'évolution de la densité de la suspension atomique avec une température décroissante (de gauche à droite) jusqu'à l'approche du zéro absolu. L'apparition d'un pic pointu dans les dernières étapes témoigne de la formation d'un condensat de Bose-Einstein - le cinquième état de la matière - qui apparaît à des températures d'environ 130 nanokelvins. Source: NASA / JPL-Caltech

"L'opportunité de mener une expérience avec BEC à bord de l'ISS est un rêve qui s'est enfin réalisé", explique Robert Thompson, spécialiste principal du projet CAL et physicien au NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) à Pasadena, en Californie. "Pour l'instant, nous sommes passés un voyage long et difficile, mais tous les efforts qui y seront consentis porteront leurs fruits au centuple, car cette installation nous ouvre le champ le plus large à vivre. "

La semaine dernière, des scientifiques travaillant avec CAL ont confirmé la production de condensats à partir d'atomes de rubidium, avec une température d'environ 100 nanokelvins; elle est plus froide que la température moyenne dans l'espace (environ trois Kelvin, ou -270 degrés Celsius). Cependant, ce n'est pas la limite - en outre, il est prévu que les températures soient encore plus basses, même en comparaison avec celles obtenues dans les laboratoires terrestres.

À ces températures, les atomes commencent à se comporter différemment que dans toute autre matière connue et observée par nous. Le BEC est appelé le "cinquième état de la matière", le séparant ainsi du solide, du liquide, du gaz et du plasma; parce que les atomes de condensat se comportent plus comme des ondes que des particules. La nature ondulatoire de la matière ne peut être observée que dans des phénomènes à très petite échelle, cependant, BEC les rend plus visibles - et donc plus faciles à analyser. Les atomes ultra-froids sont dans un état avec une énergie minimale et prennent le même état d'onde, devenant indiscernables les uns des autres; le nuage atomique commence à se comporter entièrement comme une «superat» solitaire unique.

Obstacle difficile

La CAL se compose de deux unités normalisées qui seront installées à bord de l'ISS. Le gros bloc est appelé en plaisantant le "réfrigérateur à quatre chambres", et le petit est appelé "à chambre unique"; grand et contient tout le remplissage qui produit des atomes ultra-froids. Source: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

«C'est un putain d'outil compliqué», explique Robert Shotwell, ingénieur en chef au Département de physique et d'astronomie du JPL, qui supervisait tous les travaux d'installation depuis février 2017. «Habituellement, de telles astuces nécessitent un tas d'équipements avec une taille de pièce, et vous avez besoin d'une supervision directe constante, et nous avons créé un appareil pas plus grand qu'un réfrigérateur portable et pouvons le contrôler depuis la Terre. «Nous avons dû franchir de nombreuses barrières et déployer beaucoup d'efforts pour que cette pièce du puzzle se retrouve sur la station spatiale aujourd'hui.»

Le premier condensat de Bose-Einstein a été obtenu en 1995, bien que le phénomène lui-même ait été prédit par les physiciens Chatyatranat Bose et Albert Einstein 71 ans auparavant. En 2001, Eric Cornell, Karl Wyman et Wolfgank Ketterle ont partagé le prix Nobel de physique pour la création et l'étude des caractéristiques du BEC en laboratoire; au cours de la prochaine année, cinq groupes scientifiques, dont ceux dirigés par Cornell et Ketterle, mèneront des expériences avec des atomes froids. Depuis le milieu des années 90, les scientifiques du monde entier ont réalisé des centaines de ces expériences; la plupart d'entre eux sont sur Terre, mais plusieurs en vol spatial court - à bord de fusées géophysiques. Et enfin, la science a obtenu un moyen de mener des expériences de condensat sur une base quotidienne pendant une longue période de temps à bord de l'ISS.

Le BEC est produit dans des "pièges atomiques" intangibles créés par des champs magnétiques ou des lasers. Lorsque le piège est fermé dans le champ gravitationnel de la Terre, les atomes ultra-froids se dispersent presque immédiatement avec attraction, il est donc possible de les observer seulement pendant une fraction de seconde. Cependant, dans des conditions de microgravité, une suspension existe de cinq à dix secondes; Au total, les scientifiques accumulent jusqu'à six heures d'observation par jour.

Dès que la pression baisse à l'intérieur du piège, la température diminue naturellement; plus le nuage d'atomes reste dans le piège, plus il refroidit. Ceux qui ont travaillé avec une bombe aérosol de peinture connaissent ce phénomène - la bombe peut se refroidir juste à cause d'une chute de pression. En microgravité, la pression du condensat chute à des valeurs extrêmement faibles, ce qui à son tour réduit la température à des valeurs inaccessibles aux instruments terrestres. Jour après jour, l'installation fonctionne sans aucune intervention de l'équipe de la station.


C'est là que le condensat de Bose-Einstein prend naissance à l'intérieur de la CAL. Source: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

Après avoir reçu du BEC du rubidium, l'équipe de recherche va utiliser les atomes de deux isotopes différents du potassium. En fait, la mise en service est actuellement en cours au CAL, donc une longue série de tests est destinée à déterminer le bon fonctionnement de l'appareil dans des conditions de microgravité.

«Les scientifiques du monde entier n'attendront pas la permission de travailler sur notre installation», explique Kamal Odrihiri, chef de la mission CAL au JPL. que nous remettons cet appareil entre les mains de spécialistes étroits pour un travail sérieux. » La phase de recherche du calendrier commence au début de septembre de cette année et durera au moins trois ans.


L'équipe de physique atomique CAL et les scientifiques du JPL David Avelin, Ethan Eliott et Jason Williams (de gauche à droite); La photo a été prise au Centre d'opérations des missions en orbite terrestre du JPL, d'où le CAL sera contrôlé et configuré à distance. L'image de l'écran en arrière-plan montre l'installation directement à bord de l'ISS. Les travaux d'Avelin, Eliot et Williams ont joué un rôle décisif dans l'obtention du premier condensat Bose-Einstein au monde en orbite. Source: NASA / JPL-Caltech

L'installation d'atomes froids est allée dans l'espace le 21 mai 2018 sur le vaisseau orbital Cygnus du Wallod Cosmodrome, en Virginie. CAL a été développé et construit au JPL, et le financement du projet est réparti entre le programme de la station spatiale internationale au Lyndon Johnson Space Center, Houston, et la direction de la recherche et des applications de la vie spatiale et des sciences physiques (SLPSRA) pour l'exploration spatiale. et la gestion des opérations de la mission de la NASA, au siège de la NASA, à Washington.

Pour plus d'informations, vous pouvez visiter le site Web du projet .