La NASA est sur le point de lancer le Cold Atom Laboratory (CAL) en orbite, que les astronautes utiliseront pour générer des conditions encore jamais vues auparavant, atteignant des températures jusqu’à 100 millions de fois plus proches du zéro absolu que celles que l’on peut trouver dans les profondeurs de l’espace.
Le Cold Atom Laboratory sera envoyé sur la Station spatiale internationale grâce à une fusée de SpaceX, et les scientifiques espèrent qu’il permettra de mettre en lumière de nouveaux éléments physiques, lorsque les atomes seront refroidis de manière extrême. Le système est conçu pour geler les atomes de gaz à une température d’un milliardième de degré seulement au-dessus du zéro absolu. En effet, ce dernier est prévu pour créer des conditions de froid extrême en microgravité à bord de l’ISS, permettant d’observer des phénomènes quantiques indétectables sur Terre. Le laboratoire sera utilisé par plusieurs scientifiques à bord de l’ISS et a été conçu pour être maintenu en orbite.
Le lancement et l’installation du CAL à bord de l’ISS est prévu pour le mois d’août 2017, et servira également à expérimenter l’utilisation de lasers froids dans le domaine des capteurs quantiques.
« Étudier ces atomes hyper-froids pourrait remodeler notre compréhension de la matière et de la nature fondamentale de la gravité », explique Robert Thompson, scientifique du projet CAL, au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « Les expériences que nous allons effectuer avec le Cold Atom Lab vont nous donner un aperçu de la gravité et de l’énergie noire – quelques-unes des forces les plus répandues dans l’Univers », ajoute-t-il.
Le Cold Atom Laboratory de la NASA ressemble à une grande boite équipée d’une chambre à vide, de lasers, et d’un « couteau » électromagnétique servant à ralentir les particules, jusqu’à un état presque immobile. Cette suite d’instruments forme le CAL, qui a été développé par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Actuellement, les dernières étapes de la construction de l’instrument sont en cours, avant son lancement dans l’espace cet été.
L’objectif est de remplir le CAL de particules de gaz, à bord de l’ISS, où l’environnement unique de microgravité permettra aux chercheurs d’observer des phénomènes quantiques jamais vus auparavant. Un de ces phénomènes attire particulièrement l’attention des chercheurs : le condensat de Bose-Einstein, un état superfluide où l’atome se transforme en formes d’ondes mystérieuses qui n’ont jamais été observées aux températures qu’offrira le CAL. Comme cet état possède une viscosité nulle, les atomes sont capables de se déplacer sans frottement, comme s’il s’agissait d’une seule substance unique et solide. Explications par la NASA : « Si vous aviez de l’eau superfluide et que vous la faisiez tourner dans un verre, elle tournerait perpetuellement », explique Anita Senupta, cheffe de projet du Cold Atom Laboratory. « Il n’y a pas de viscosité pour ralentir et dissiper l’énergie cinétique. Si nous pouvions mieux comprendre la physique des superfluides, nous pourrions éventuellement apprendre à les utiliser pour effectuer des transferts d’énergie plus efficaces », ajoute-t-elle.
Le condensat de Bose-Einstein est particulièrement intéressant pour les physiciens car dans cet état, les règles passent de la physique classique à la physique quantique et la matière commence à se comporter davantage comme des ondes que des particules. Comprendre cette transition est donc la clé de l’une des plus grandes questions ouvertes de la physique moderne. En effet, lorsqu’elles sont utilisées séparément, la physique classique et la physique quantique peuvent expliquer la plupart des éléments de l’Univers, mais jusqu’à ce jour, aucun physicien n’a encore réussi à unifier les deux en une seule « théorie du tout » fonctionnelle.
C’est pour cette raison que de nombreux scientifiques souhaiteraient analyser les condensats de Bose-Einstein, mais à cause de la force gravitationnelle de la Terre, les observations ne sont possibles que durant quelques fractions de secondes. Par contre, dans l’environnement de microgravité de l’ISS, les scientifiques devraient pouvoir être en mesure d’obtenir une vue bien plus substantielle du phénomène : la NASA prédit que dans l’espace, ces derniers pourront maintenir les condensats de Bose-Einstein dans le CAL jusqu’à 5 à 10 secondes. De futurs développements de la technologie permettraient même des observations allant jusqu’à plusieurs centaines de secondes.
Non seulement cette expérience pourrait nous aider à comprendre le lien entre la physique classique et la physique quantique, mais elle pourrait également nous offrir une meilleure compréhension des condensats de Bose-Einstein, qui mènerait à la réalisation de capteurs, de télescopes et d’horloges atomiques plus précises, utilisées dans le domaine de la navigation spatiale, et pourrait également accélérer la course à la création du premier ordinateur quantique.
Un autre domaine intéressant est celui des applications liées à la détection de l’énergie sombre. Kamal Oudrhiri, du JPL, et chef de projet adjoint du CAL a expliqué que les modèles actuels de cosmologie divisent l’univers en environ 27 % de matière noire, 68 % d’énergie sombre et seulement environ 5 % de matière ordinaire. « Cela signifie que même avec toutes nos technologies actuelles, nous sommes toujours aveugles concernant le 95 % de l’univers. Tout comme une nouvelle lentille dans le premier télescope de Galilée, les atomes froids ultra-sensibles du Cold Atom Laboratory ont le potentiel de débloquer de nombreux mystères au-delà des frontières de la physique connue », explique-t-il.
Le Cold Atom Laboratory est actuellement en phase de test, le préparant à son prochain lancement. « Les tests que nous effectuerons au sol au cours des prochains mois sont essentiels pour nous assurer que nous pourrons l’exploiter correctement à distance lorsqu’il sera dans l’espace, pour finalement pouvoir apprendre de ce riche système de physique atomique durant les années à venir », a déclaré Dave Aveline, du Jet Propulsion Laboratory.
