Malgré des décennies de recherches continues, les scientifiques tentent de comprendre comment les quatre forces fondamentales de l’Univers s’accordent.
Alors que la mécanique quantique peut expliquer comment trois de ces forces fonctionnent ensemble à la plus petite des échelles (électromagnétisme, forces nucléaires faibles et fortes), la relativité générale explique comment les choses se comportent à la plus grande des échelles (c’est-à-dire la gravité). À cet égard, la gravité reste le point faible.
Pour comprendre comment la gravité interagit avec la matière à la plus petite échelle, les scientifiques ont mis au point des expériences de pointe.
L’une d’entre elles est le laboratoire d’atomes froids (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’est la première fois que des condensats de Bose-Einstein sont créés en orbite, ce qui offre de nouvelles possibilités de sonder les lois de la physique.
Prévus à l’origine par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein il y a 71 ans, les condensats de Bose-Einstein sont essentiellement des atomes ultrafroids qui atteignent des températures juste au-dessus du zéro absolu, le point auquel les atomes devraient cesser complètement de bouger (en théorie).
Ces particules ont une longue durée de vie et sont contrôlées avec précision, ce qui en fait la plateforme idéale pour étudier les phénomènes quantiques.
C’est l’objectif de l’installation CAL, qui consiste à étudier les gaz quantiques ultrafroids dans un environnement de microgravité. Le laboratoire a été installé dans le laboratoire scientifique américain à bord de l’ISS fin mai et est le premier de ce type dans l’espace.
Il est conçu pour améliorer la capacité des scientifiques à effectuer des mesures de précision de la gravité et à étudier la façon dont 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 :
“Faire fonctionner une expérience BEC sur la station spatiale est un rêve devenu réalité. La route a été longue et difficile pour en arriver là, mais cela en valait vraiment la peine, car nous allons pouvoir faire tellement de choses avec cette installation.”
Il y a environ deux semaines, les scientifiques du CAL ont confirmé que l’installation avait produit des BEC à partir d’atomes de rubidium – un élément métallique doux, blanc argenté, du groupe des alcalis.
Selon leur rapport, ils ont atteint des températures aussi basses que 100 nanoKelvin, soit un dix million de kelvin au-dessus du zéro absolu (-273 degrés Celsius ; -459 Fahrenheit). Cette température est environ 3 K plus froide que la température moyenne de l’espace (-270 degrés Celsius ; -454 Fahrenheit).
En raison de leur comportement unique, les BECs sont caractérisés comme un cinquième état de la matière, distinct des gaz, des liquides, des solides et du plasma.
Dans les BECs, les atomes se comportent davantage comme des ondes que comme des particules à l’échelle macroscopique, alors que ce comportement n’est généralement observable qu’à l’échelle microscopique.
En outre, les atomes adoptent tous leur état d’énergie le plus bas et prennent la même identité ondulatoire, ce qui les rend indiscernables les uns des autres.
En bref, les nuages d’atomes commencent à se comporter comme un “super atome” unique plutôt que comme des atomes individuels, ce qui les rend plus faciles à étudier.
Les premiers BEC ont été produits en 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 réalisation.
Depuis lors, 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 sens 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, à savoir un grand “quadruple casier” et un plus petit “simple casier”.
Le quadruple casier contient l’ensemble physique de CAL, le compartiment où CAL produira des nuages d’atomes ultrafroids.
Pour ce faire, il utilise des champs magnétiques ou des lasers focalisés pour créer des conteneurs sans frottement, 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 diminue naturellement, se refroidissant au fur et à mesure qu’il reste dans le piège.
Sur Terre, lorsque ces pièges sont désactivés, la gravité fait que les atomes se remettent en mouvement, ce qui signifie qu’ils ne peuvent être étudiés que pendant quelques fractions de seconde.
À bord de l’ISS, qui est un environnement de microgravité, les BEC peuvent se 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 comme 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, l’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. Généralement, les expériences BEC impliquent suffisamment d’équipements pour remplir une pièce et nécessitent une surveillance quasi-constante de la part des scientifiques, alors que CAL a la taille d’un petit réfrigérateur et peut être utilisé à distance depuis la Terre.”
“Ce fut une lutte et il a fallu déployer des efforts considérables pour surmonter tous les obstacles nécessaires à la production de l’installation sophistiquée qui fonctionne aujourd’hui sur la station spatiale.”
Pour l’avenir, les scientifiques du CAL veulent aller encore plus loin et atteindre des températures inférieures à tout ce qui est réalisé sur Terre. Outre le rubidium, l’équipe CAL travaille également à la fabrication de BECS en utilisant deux isotopes différents d’atomes de potassium.
Pour l’instant, CAL est encore en phase de mise en service, ce qui consiste pour l’équipe d’exploitation à effectuer 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 – réaliseront des expériences dans l’installation au cours de sa première année.
La phase scientifique devrait commencer début septembre et durera trois ans. Comme le dit Kamal Oudrhiri, responsable de la mission CAL au JPL :
“Il y a une équipe de scientifiques du monde entier prête et enthousiaste à utiliser cette installation”
“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.”
Avec le temps, le Cold Atom Lab (CAL) pourrait aider les scientifiques à comprendre le fonctionnement de la gravité à 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 conduire à une théorie du tout (ToE) et à une compréhension complète du fonctionnement de l’Univers.
Et n’oubliez pas de regarder cette vidéo (sans jeu de mots !) de l’installation CAL, réalisée par la NASA :
Cet article a été initialement publié sur Universe Today. Lire l’article original.