Il y a deux ans, la NASA a envoyé une boîte de lasers de la taille d’un lave-vaisselle à la Station spatiale internationale. Le but: créer une cinquième forme de matière weird que l’on ne trouve pas dans la character – le condensat de Bose-Einstein.



Ce kind de matière est constitué de nuages ​​de quelques hundreds of thousands d’atomes qui ont été refroidis par des lasers dans le vide, à des températures encore as well as basses que dans l’espace interstellaire. À de telles températures extrêmement basses, les atomes perdent leur individualité et blobent ensemble. Cela permet aux chercheurs d’étudier furthermore facilement le monde quantique: un domaine subatomique dans lequel tout est plus petit qu’un seul atome.

La boîte de lasers, à juste titre, s’appelle le Chilly Atom Laboratory.



Alors que les condensats de Bose-Einstein (BEC) sont produits sur Terre depuis 25 ans, la gravité les rend difficiles à étudier il les tire au sol, les faisant disparaître en quelques fractions de seconde.

Dans l’espace, cependant, c’est une autre histoire. Une étude publiée jeudi dans la revue Mother nature rapporte que le Cold Atom Lab de la station spatiale a créé avec succès et de manière cohérente des BEC en microgravité. Cela donne aux chercheurs la possibilité d’examiner la matière extremely-froide pendant des périodes in addition longues que sur Terre.

« Il a été reconnu très tôt que la microgravité serait utile, et aller dans l’espace nous donnerait de nombreux avantages en termes de temps de mesure », a déclaré David Aveline, l’auteur principal de l’étude et scientifique au Jet Propulsion Lab de la NASA. Interne du milieu des affaires.

Moreover de temps pour mesurer les BEC signifie des mesures plus précises – et cela pourrait aider les chercheurs à étudier les ondes gravitationnelles et l’énergie sombre.

Un laboratoire spatial sans précédent

Le Cold Atom Laboratory se compose de deux conteneurs normalisés qui ont été installés sur la Station spatiale internationale en mai 2018.

NASA / JPL-Caltech

Depuis la création du leading condensat de Bose-Einstein en 1995, les chercheurs ont cherché des moyens de prolonger la durée de vie de la matière au-delà d’une seconde ou deux. Certains chercheurs ont essayé de créer leurs propres environnements de microgravité en jetant un appareil de création de BEC d’une tour de 440 pieds pour atteindre la chute libre. Quelques expériences en apesanteur ont également été faites à l’intérieur d’une fusée.

« C’est beaucoup d’efforts pour prendre seulement quelques mesures », a déclaré Aveline.

En revanche, le Chilly Atom Laboratory (CAL) a une microgravité sans fin, il peut donc collecter des données pendant des années.

« Nous arrivons à faire des BEC quotidiennement, pendant de nombreuses heures par jour », a expliqué Aveline. « CAL est entièrement télécommandé. Nous le faisons fonctionner à partir d’ordinateurs au sol, littéralement à l’intérieur de nos salons. »

L’astronaute de la NASA et ingénieur de vol d’Expedition 61 Christina Koch travaille sur le Chilly Atom Lab, échangeant et nettoyant le matériel à l’intérieur du dispositif de recherche quantique.

NASA

À l’origine, l’objectif de la NASA était de faire fonctionner CAL pendant un an avant d’avoir besoin de pièces de rechange, a déclaré Aveline. Mais grâce à des astronautes comme Christina Koch qui le vérifient et mettent occasionnellement à jour son matériel, le laboratoire flottant vient de passer ses deux ans dans l’espace.

Les condensats de Bose-Einstein nous renseignent sur le monde quantique

CAL utilise des lasers et des aimants pour refroidir les atomes jusqu’à 1 10 milliardième de degré au-dessus du zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit, ou moins 273,15 degrés Celsius).

En règle générale, les atomes sont disposés dans un ordre particulier pour créer de la matière comme des solides, des liquides et des gaz. Mais Albert Einstein et le physicien Satyendra Nath Bose ont prédit en 1924 que si les atomes pouvaient être suffisamment refroidis, ils perdraient leur individualité. Cela les conduirait à previous une masse d’environ 1 millimètre de diamètre qui se comporte comme une entité. Il s’agit d’un BEC, parfois appelé superfluide.

Le physicien et mathématicien Albert Einstein, 1944.

La raison pour laquelle les scientifiques se soucient des BEC est parce qu’ils comblent le fossé entre le monde que nous pouvons voir – qui est régi par la physique classique – et le monde subatomique, dans lequel règne la physique quantique.

« Ils sont comme le Saint Graal » de la physique quantique, a expliqué Aveline.

La physique quantique décrit le comportement des as well as petites choses de l’univers. Selon ses lois, de minuscules particules comme les électrons pourraient se trouver à plusieurs endroits en même temps. Les physiciens décrivent donc ces électrons à l’aide de probabilités qui montrent la probabilité qu’il soit positionné dans une certaine configuration à un immediate donné.

Les atomes dans les BEC suivent des lois quantiques, mais parce qu’ils se sont disséminés ensemble, ils sont suffisamment grands pour être observés au microscope – ce qui permet aux scientifiques de les mesurer et d’observer leur comportement.

Ce graphique montre l’évolution de la densité d’un nuage d’atomes à mesure qu’il se refroidit à des températures de furthermore en additionally basses (allant de gauche à droite) approchant le zéro absolu. L’émergence d’un pic pointu dans les derniers graphiques confirme la development d’un condensat de Bose-Einstein.

NASA / JPL-Caltech

Ce que les expériences de CAL peuvent nous apprendre

Un nouveau matériel que Koch a installé dans CAL est un interféromètre à atomes, un instrument qui utilise les BEC pour mesurer les changements de gravité à travers la surface area d’une planète.

« Analyser le champ gravitationnel de notre planète peut nous en dire beaucoup sur sa construction (est-ce que l’eau, la pierre ou le pétrole sont en dessous ?), Et analyser sa variation peut nous renseigner sur les processus en cours (dans quelle mesure le niveau d’eau des océans monte-t-il ? ) « , A déclaré Maike Lachmann, physicienne à l’Université de Leibniz

Les applications de ce kind de mesure sont énormes, selon Lachmann et Aveline – elles peuvent aider les scientifiques à comprendre ce qui se passe sous la surface de la Terre et à cartographier les lunes et d’autres planètes.

La surface area lunaire vue depuis le vaisseau spatial Apollo 13.

NASA by using Challenge Apollo Archive / Flickr

De additionally, les physiciens envisagent d’utiliser l’interférométrie atomique pour mesurer les ondes gravitationnelles ou d’autres sources potentielles d’énergie dans l’univers, comme l’énergie sombre.

L’énergie sombre est la force qui fait s’étendre l’espace il représente 70% de l’univers. (Le morceau restant est composé à 25% de matière noire – une particule invisible qui dégage une grande force gravitationnelle – et à 5% de matière normale, ce qui constitue tout ce que nous voyons.)

Certains chercheurs soupçonnent que l’énergie noire et la matière noire proviennent de particules non encore vues, appelées axions et solitons. Une étude le mois dernier a suggéré que les BEC pourraient être utilisés pour détecter ces axions.

D’autres recherches de 2015 et 2016 ont utilisé des BEC pour sonder différentes resources possibles d’énergie sombre.

La mesure de l’énergie sombre est critique, car les scientifiques pensent qu’elle pourrait être responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers – en séparant les galaxies à un rythme toujours as well as rapide.

Une étude publiée l’année dernière a révélé que l’univers s’étend de 9% plus rapidement que les scientifiques ne l’avaient prévu – une découverte selon un lauréat du prix Nobel a déclaré « pourrait être le développement le in addition excitant de la cosmologie depuis des décennies »