Det fedeste eksperiment i universet

Hvad er det koldeste sted, du kan komme i tanke om? Temperaturerne på en vinterdag i Antarktis falder så lavt som -120ºF (-85ºC). På den mørke side af månen, de ramte -280ºF (-173ºC). Men inde i NASA's Cold Atom Laboratory på den internationale rumstation, videnskabsmænd skaber noget endnu koldere.

Cold Atom Lab (CAL) er det første anlæg i kredsløb til at producere skyer af "ultrakølede" atomer, som kan nå en brøkdel af en grad over det absolutte nul:-459ºF (-273ºC), den absolut koldeste temperatur, som sagen kan nå. Intet i naturen vides at ramme de temperaturer, der opnås i laboratorier som CAL, hvilket betyder, at det kredsende anlæg regelmæssigt er det koldeste kendte sted i universet.

NASA's Cold Atom Laboratory på den internationale rumstation er regelmæssigt det koldeste kendte sted i universet. Men hvorfor producerer forskere atomskyer en brøkdel af en grad over det absolutte nul? Og hvorfor skal de gøre det i rummet? Kvantefysik, selvfølgelig.

Syv måneder efter den 21. maj, 2018, lancering til rumstationen fra NASAs Wallops Flight Facility i Virginia, CAL producerer dagligt ultrakølede atomer. Fem hold forskere vil gennemføre eksperimenter på CAL i løbet af det første år, og tre eksperimenter er allerede i gang.

Hvorfor afkøle atomer til så ekstremt lavt? Atomer med stuetemperatur glider typisk rundt som hyperaktive kolibrier, men ultrakolde atomer bevæger sig meget langsommere end selv en snegl. Specifikationerne varierer, men ultrakølede atomer kan være mere end 200, 000 gange langsommere end atomer ved stuetemperatur. Dette åbner nye måder at studere atomer på samt nye måder at bruge dem til undersøgelser af andre fysiske fænomener. CAL's primære videnskabelige mål er at udføre grundlæggende fysikforskning - at forsøge at forstå naturens virkemåde på de mest fundamentale niveauer.

"Med CAL begynder vi at få en virkelig grundig forståelse af, hvordan atomerne opfører sig i mikrogravitation, hvordan man manipulerer dem, hvordan systemet er anderledes end dem vi bruger på Jorden, " sagde Rob Thompson, en kold atomfysiker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, og missionsforsker for CAL. "Dette er alt sammen viden, der kommer til at bygge et fundament for, hvad jeg håber er en lang fremtid for kold atomvidenskab i rummet."

Laboratorier på Jorden kan producere ultrakolde atomer, men på jorden, tyngdekraften trækker på de afkølede atomskyer, og de falder hurtigt, giver forskerne kun brøkdele af et sekund til at observere dem. Magnetfelter kan bruges til at "fange" atomerne og holde dem stille, men det begrænser deres naturlige bevægelse. I mikrogravitation, de kolde atomskyer flyder meget længere, give forskere et udvidet syn på deres adfærd.

Processen til at skabe de kolde atomskyer starter med lasere, der begynder at sænke temperaturen ved at bremse atomerne. Radiobølger skærer de varmeste medlemmer af gruppen væk, yderligere sænkning af gennemsnitstemperaturen. Endelig, atomerne frigives fra en magnetisk fælde og får lov til at ekspandere. Dette medfører et trykfald, der, på tur, forårsager naturligvis endnu et fald i skyens temperatur (det samme fænomen, der får en dåse trykluft til at føles kold efter brug). I rummet, skyen har længere tid til at ekspandere og dermed nå endnu lavere temperaturer, end hvad der kan opnås på Jorden - ned til cirka en ti milliarddel af en grad over det absolutte nul, måske endnu lavere.

Ultrakolde atomfaciliteter på Jorden optager typisk et helt rum, og i de fleste, hardware efterlades eksponeret, så forskere kan justere apparatet, hvis det er nødvendigt. At bygge et koldatomlaboratorium til rummet stillede flere designudfordringer, hvoraf nogle ændrer den grundlæggende karakter af disse faciliteter. Først, der var spørgsmål om størrelse:CAL fløj til stationen i to stykker-en metalkasse lidt større end en minikøleskab og en anden på størrelse med en håndbagage. Sekund, CAL blev designet til at blive fjernstyret fra Jorden, så det blev bygget som et fuldt lukket anlæg.

CAL har også en række teknologier, der aldrig har været fløjet i rummet før, såsom specialiserede vakuumceller, der indeholder atomerne, som skal forsegles så tæt, at næsten ingen vildfarne atomer kan lække ind. Laboratoriet havde brug for at kunne modstå rystelser ved opsendelsen og ekstreme kræfter, der oplevedes under flyvningen til rumstationen. Det tog teamene flere år at udvikle unik hardware, der kunne opfylde de præcise behov for køling af atomer i rummet.

"Flere dele af systemet krævede redesign, og nogle dele gik i stykker på måder, vi aldrig havde set før, "sagde Robert Shotwell, chefingeniør for JPL's Astronomy, Fysik- og rumteknologidirektorat og CAL -projektleder. "Anlægget skulle rives fuldstændigt fra hinanden og samles igen tre gange."

Alt det hårde arbejde og problemløsning siden missionens start i 2012 gjorde CAL-teamets vision til virkelighed i maj sidste år. CAL-teammedlemmer talte via live video med astronauterne Ricky Arnold og Drew Feustel ombord på den internationale rumstation til installationen af ​​Cold Atom Laboratory, det andet ultrakolde atomanlæg, der nogensinde har fungeret i rummet, den første, der nåede Jordens kredsløb, og den første, der blev i rummet i mere end et par minutter. Langs vejen, CAL har også opfyldt de minimumskrav, NASA satte for at anse missionen for at være en succes, og giver et unikt værktøj til at undersøge naturens mysterier.