La Station spatiale internationale (ISS) est aussi et surtout un précieux laboratoire pour les expérimentations scientifiques difficiles ou impossibles à réaliser sur Terre. À ce titre, un instrument précieux a été envoyé sur l’ISS en 2018 : le Cold Atom Laboratory. Cette sorte de frigo de l’extrême permet de refroidir les atomes jusqu’à des températures proches du zéro absolu. Comme le relate un papier de recherche publié ce 11 juin 2020 dans la revue Nature, l’instrument a permis de créer, pour la première fois dans l’espace, et d’une qualité jamais égalée sur Terre, un condensat Bose-Einstein. Celui-ci est parfois surnommé « cinquième état de la matière » (les quatre états habituels étant le solide, le liquide, le gaz et le plasma).
Il faut percevoir cet état de la matière comme un nuage gazeux d’atomes. À cette température, frôlant le zéro absolu sans jamais l’atteindre, les atomes sont à leur plus faible niveau d’énergie, ce qui a pour effet de les ralentir. C’est alors qu’en présence d’un piège magnétique, ils se rapprochent, se chevauchent, se condensent, pour ne former plus qu’un seul et même état quantique. Ils ne sont plus des atomes individuels, mais un collectif d’atomes. Un « super atome », comparable à une vague composée de vaguelettes. En relâchant le piège magnétique, les scientifiques peuvent observer cet état de la matière un court instant.
Photographie du Cold Atom Laboratory quand il était en conception sur Terre.
Source : NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn
Ce condensat a été prédit il y a des décennies par Albert Einstein, qui s’appuyait alors sur les travaux de Satyendranath Bose. Cet état de la matière a été réellement expérimenté en 1995 — ce qui a débouché sur le Prix Nobel de Physique pour les scientifiques qui en sont à l’origine. Lorsque les atomes deviennent ce condensat, ils adoptent des propriétés quantiques qui sont plus facilement observables. Rares sont les moments où le monde quantique est suffisamment stable pour être étudié. Les condensats sont une forme de milieu intermédiaire entre le monde macroscopique et le monde microscopique. Et c’est donc, également, un portail scientifique vers une meilleure compréhension de la mécanique quantique.
L’état a été maintenu plus d’une seconde
Si l’on sait déjà produire un condensat Bose-Einstein, vous questionnez-vous peut-être, alors pourquoi donc cette étude sur la Station spatiale internationale est-elle si exceptionnelle, si importante ? Sur Terre, le cinquième état de la matière est extrêmement difficile à maintenir. Son équilibre est fragile, toute interaction avec le monde macroscopique peut le briser. Or, sur Terre, il y a l’une des plus importantes forces de l’Univers : la gravité !
L’ISS quant à elle offre un environnement en micro-gravité. Résultat, les atomes sont plus facilement maintenus sous ce cinquième état de la matière. L’expérience relatée ce 11 juin dans Nature a permis de maintenir des condensats de Bose-Einstein plus d’une seconde, quand, ici bas, ils se dissipent en quelques millisecondes. Or, plus le condensat peut être maintenu, plus les scientifiques ont un temps d’observation accru et une capacité d’imagerie plus nette.
Les physiciens auteurs de l’étude écrivent qu’il s’agit d’une « démonstration initiale des avantages offerts par un environnement de microgravité pour des expériences de refroidissement des atomes, et cela confirme le succès opérationnel de cette installation ». Comme ils l’indiquent eux-mêmes, ce n’est qu’une première étape, mais elle relève d’un véritable accomplissement scientifique et technologique, ouvrant la voie à de nouvelles avancées importantes.
En réussissant à produire cet état de la matière si longtemps, dans l’espace, à bord de l’ISS, les physiciens progressent vers la compréhension de la mécanique quantique, mais ils développement aussi un outil précieux. « Les applications vont des expériences en relativité générale et de la quête d’énergie sombre ainsi que d’ondes gravitationnelles à la navigation des vaisseaux spatiaux et à la recherche de minéraux sous la surface de la lune et autres corps planétaires », commente l’un des physiciens travaillant sur le projet.
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