Malgré des décennies de recherches en cours, les scientifiques tentent de comprendre comment les quatre forces fondamentales de l'Univers s'emboîtent. Alors que la mécanique quantique peut expliquer comment trois de ces forces agissent ensemble sur la plus petite échelle (électromagnétisme, forces nucléaires faibles et fortes), la relativité générale explique comment les choses se comportent sur la plus grande échelle (c'est-à-dire la gravité). À cet égard, la gravité reste la résistance.
Pour comprendre comment la gravité interagit avec la matière sur la plus petite échelle, les scientifiques ont développé des expériences vraiment de pointe. L’un d’eux est le Cold Atom Laboratory (CAL) de la NASA, situé à bord de l’ISS, qui a récemment franchi une étape importante en créant des nuages d’atomes appelés condensats de Bose-Einstein (BEC). C'était la première fois que des BEC étaient créés en orbite, et offre de nouvelles opportunités pour sonder les lois de la physique.
Prédit à l'origine par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein il y a 71 ans, les BEC sont essentiellement des atomes ultra-froids qui atteignent des températures juste au-dessus du zéro absolu, le point auquel les atomes devraient cesser de se déplacer entièrement (en théorie). Ces particules ont une longue durée de vie et sont contrôlées avec précision, ce qui en fait la plate-forme idéale pour étudier les phénomènes quantiques.
C'est le but de l'installation CAL, qui est d'étudier les gaz quantiques ultra-froids dans un environnement de microgravité. Le laboratoire a été installé dans le US Science Lab à bord de l'ISS fin mai et est le premier du genre dans l'espace. Il est conçu pour améliorer la capacité des scientifiques à effectuer des mesures précises de la gravité et à étudier comment elle interagit avec la matière à la plus petite échelle.
Comme l’a expliqué Robert Thompson, scientifique du projet CAL et physicien au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, dans un récent communiqué de presse:
«La réalisation d'une expérience BEC sur la station spatiale est un rêve devenu réalité. La route a été longue et difficile à atteindre, mais cela en vaut vraiment la peine, car il y a tellement de choses que nous allons pouvoir faire avec cette installation. »
Il y a environ deux semaines, les scientifiques de CAL ont confirmé que l'installation avait produit des BEC à partir d'atomes de rubidium - un élément métallique doux, blanc argenté dans le groupe alcalin. Selon leur rapport, ils avaient atteint des températures aussi basses que 100 nanoKelvin, un dix million d'un Kelvin au-dessus du zéro absolu (-273 ° C; -459 ° F). C'est environ 3 K (-270 ° C; -454 ° F) plus froid que la température moyenne de l'espace.
En raison de leur comportement unique, les BEC sont caractérisés comme un cinquième état de la matière, distinct des gaz, des liquides, des solides et du plasma. Dans les BEC, les atomes agissent plus comme des ondes que des particules à l'échelle macroscopique, alors que ce comportement n'est généralement observable qu'à l'échelle microscopique. De plus, les atomes assument tous leur état d'énergie le plus bas et prennent la même identité d'onde, les rendant indiscernables les uns des autres.
En bref, les nuages d'atomes commencent à se comporter comme un seul "super-atome" plutôt que des atomes individuels, ce qui les rend plus faciles à étudier. Les premiers BEC ont été produits dans un laboratoire en 1995 par une équipe scientifique composée d'Eric Cornell, Carl Wieman et Wolfgang Ketterle, qui ont partagé le prix Nobel de physique 2001 pour leur accomplissement. Depuis ce temps, des centaines d'expériences BEC ont été menées sur Terre et certaines ont même été envoyées dans l'espace à bord de fusées-sondes.
Mais l'installation CAL est unique en ce qu'elle est la première du genre sur l'ISS, où les scientifiques peuvent mener des études quotidiennes sur de longues périodes. L'installation se compose de deux conteneurs standardisés, qui se composent du plus grand «casier quad» et du plus petit «casier simple». Le casier quad contient le package physique de CAL, le compartiment où CAL produira des nuages d'atomes ultra-froids.
Cela se fait en utilisant des champs magnétiques ou des lasers focalisés pour créer des conteneurs sans friction appelés «pièges à atomes». Au fur et à mesure que le nuage d'atomes se décompresse à l'intérieur du piège à atomes, sa température baisse naturellement, devenant plus froide plus il reste dans le piège. Sur Terre, lorsque ces pièges sont fermés, la gravité fait que les atomes recommencent à se déplacer, ce qui signifie qu'ils ne peuvent être étudiés que pendant des fractions de seconde.
À bord de l'ISS, qui est un environnement de microgravité, les BEC peuvent décompresser à des températures plus froides qu'avec n'importe quel instrument sur Terre et les scientifiques peuvent observer des BEC individuels pendant cinq à dix secondes à la fois et répéter ces mesures jusqu'à six heures par jour. Et puisque l'installation est contrôlée à distance depuis le Centre d'opérations des missions en orbite terrestre du JPL, les opérations quotidiennes ne nécessitent aucune intervention des astronautes à bord de la station.
Robert Shotwell, ingénieur en chef de la direction de l'astronomie et de la physique du JPL, supervise le projet depuis février 2017. Comme il l'a indiqué dans un récent communiqué de presse de la NASA:
«CAL est un instrument extrêmement compliqué. En règle générale, les expériences BEC impliquent suffisamment d'équipement pour remplir une pièce et nécessitent une surveillance presque constante par les scientifiques, tandis que CAL est de la taille d'un petit réfrigérateur et peut être utilisé à distance depuis la Terre. Ce fut une lutte et a exigé des efforts importants pour surmonter tous les obstacles nécessaires pour produire l’installation sophistiquée qui opère sur la station spatiale aujourd’hui. »
Pour l'avenir, les scientifiques de la CAL veulent aller encore plus loin et atteindre des températures plus basses que tout ce qui est réalisé sur Terre. En plus du rubidium, l'équipe CAL travaille également à la fabrication de BECS en utilisant deux isotopes différents des atomes de potassium. À l'heure actuelle, CAL est toujours dans une phase de mise en service, qui consiste en l'équipe d'exploitation effectuant une longue série de tests pour voir comment l'installation CAL fonctionnera en microgravité.
Cependant, une fois qu'il sera opérationnel, cinq groupes scientifiques - dont des groupes dirigés par Cornell et Ketterle - mèneront des expériences sur le site au cours de sa première année. La phase scientifique devrait commencer début septembre et durera trois ans. Comme l’a dit Kamal Oudrhiri, chef de mission du JPL pour CAL:
«Il existe une équipe mondiale de scientifiques prête et ravie d'utiliser cette installation. La diversité des expériences qu'ils envisagent de réaliser signifie qu'il existe de nombreuses techniques pour manipuler et refroidir les atomes que nous devons adapter à la microgravité, avant de remettre l'instrument aux principaux chercheurs pour commencer les opérations scientifiques. »
Avec le temps, le Cold Atom Lab (CAL) pourrait aider les scientifiques à comprendre le fonctionnement de la gravité sur la plus petite échelle. Combiné aux expériences à haute énergie menées par le CERN et d'autres laboratoires de physique des particules dans le monde, cela pourrait éventuellement conduire à une théorie de tout (ToE) et à une compréhension complète du fonctionnement de l'Univers.
Et assurez-vous de regarder cette vidéo cool (sans jeu de mots!) De l'installation CAL, gracieuseté de la NASA:
