La Stazione Spaziale Internazionale è ufficialmente la sede dell'esperimento spaziale più cool.

Il Cold Atom Laboratory (CAL) della NASA è stato installato nel laboratorio scientifico statunitense della stazione alla fine di maggio e ora sta producendo nuvole di atomi ultrafreddi noti come condensati di Bose-Einstein. Questi "BEC" raggiungono temperature appena sopra lo zero assoluto, il punto in cui gli atomi dovrebbero teoricamente smettere di muoversi completamente. Questa è la prima volta che i BEC vengono prodotti in orbita.

CAL è una struttura multiutente dedicata allo studio delle leggi fondamentali della natura utilizzando gas quantistici ultrafreddi in microgravità. Gli atomi freddi sono longevi, particelle quantistiche controllate con precisione che forniscono una piattaforma ideale per lo studio di fenomeni quantistici e potenziali applicazioni delle tecnologie quantistiche. Questa struttura della NASA è la prima del suo genere nello spazio. È progettato per far progredire la capacità degli scienziati di effettuare misurazioni di precisione della gravità, sondare problemi di vecchia data nella fisica quantistica (lo studio dell'universo alle scale più piccole), ed esplorando la natura ondulatoria della materia.

"Avere un esperimento BEC che opera sulla stazione spaziale è un sogno che diventa realtà, " ha detto Robert Thompson, Scienziato del progetto CAL e fisico presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California. "È passato molto tempo, strada difficile per arrivare qui, ma ne vale assolutamente la pena, perché c'è così tanto che potremo fare con questa struttura".

Gli scienziati del CAL hanno confermato la scorsa settimana che la struttura ha prodotto BEC da atomi di rubidio, con temperature fino a 100 nanoKelvin, o un decimilionesimo di un Kelvin sopra lo zero assoluto. (Zero Assoluto, o zero Kelvin, è uguale a minu 459 gradi Fahrenheit, o meno 273 gradi Celsius). È più freddo della temperatura media dello spazio, che è di circa 3 Kelvin (meno 454 gradi Fahrenheit/meno 270 gradi Celsius). Ma gli scienziati del CAL hanno gli occhi puntati ancora più in basso, e si aspettano di raggiungere temperature più fredde di quelle ottenute da qualsiasi esperimento BEC sulla Terra.

A queste temperature ultrafredde, gli atomi in un BEC iniziano a comportarsi diversamente da qualsiasi altra cosa sulla Terra. Infatti, I BEC sono caratterizzati come un quinto stato della materia, distinto dai gas, liquidi, solidi e plasma. In un BEC, gli atomi agiscono più come onde che come particelle. La natura ondulatoria degli atomi è tipicamente osservabile solo su scala microscopica, ma i BEC rendono questo fenomeno macroscopico, e quindi molto più facile da studiare. Gli atomi ultrafreddi assumono tutti il ​​loro stato energetico più basso, e assumere la stessa identità d'onda, diventando indistinguibili l'uno dall'altro. Insieme, le nuvole atomiche sono come un singolo "super atomo, " invece dei singoli atomi.

Non è uno strumento semplice

"CAL è uno strumento estremamente complicato, " ha detto Robert Shotwell, capo ingegnere della direzione di astronomia e fisica del JPL, che ha supervisionato l'impegnativo progetto da febbraio 2017. "Tipicamente, Gli esperimenti BEC coinvolgono attrezzature sufficienti per riempire una stanza e richiedono un monitoraggio quasi costante da parte degli scienziati, mentre CAL ha le dimensioni di un piccolo frigorifero e può essere azionato a distanza dalla Terra. È stata una lotta e ha richiesto uno sforzo significativo per superare tutti gli ostacoli necessari per produrre la sofisticata struttura che opera oggi sulla stazione spaziale".

I primi BEC da laboratorio sono stati prodotti nel 1995, ma il fenomeno era stato previsto per la prima volta 71 anni prima dai fisici Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. Eric Cornell, Carl Wienman e Wolfgang Ketterle hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2001 per essere stati i primi a creare e caratterizzare i BEC in laboratorio. Cinque gruppi scientifici, compresi i gruppi guidati da Cornell e Ketterle, condurrà esperimenti con CAL durante il suo primo anno. Centinaia di esperimenti BEC sono stati effettuati sulla Terra dalla metà degli anni '90, e alcuni esperimenti BEC hanno persino effettuato brevi viaggi nello spazio a bordo di razzi sonda. Ma CAL è la prima struttura del suo genere sulla stazione spaziale, dove gli scienziati possono condurre studi giornalieri sui BEC per lunghi periodi.

I BEC sono creati in trappole atomiche, o contenitori senza attrito fatti di campi magnetici o laser focalizzati. Sulla terra, quando queste trappole sono spente, la gravità attira gli atomi ultrafreddi e possono essere studiati solo per frazioni di secondo. La persistente microgravità della stazione spaziale consente agli scienziati di osservare i singoli BEC per 5-10 secondi alla volta, con la possibilità di ripetere queste misurazioni fino a sei ore al giorno. Quando la nuvola atomica si decomprime all'interno della trappola atomica, la sua temperatura scende naturalmente, e più a lungo la nuvola resta nella trappola, più fa freddo. Questo fenomeno naturale (che un calo di pressione significa anche un calo di temperatura) è anche la ragione per cui una bomboletta di vernice spray si raffredda quando la vernice viene spruzzata:la pressione interna della bomboletta sta diminuendo. In microgravità, i BEC possono decomprimersi a temperature più fredde rispetto a qualsiasi strumento terrestre. Le operazioni quotidiane di CAL non richiedono l'intervento degli astronauti a bordo della stazione.

Oltre ai BEC costituiti da atomi di rubidio, il team CAL sta lavorando per produrre BEC utilizzando due diversi isotopi di atomi di potassio.

CAL è attualmente in fase di commissioning, in cui il team operativo conduce una lunga serie di test per comprendere appieno come opera la struttura CAL in condizioni di microgravità.

"C'è un team di scienziati di tutto il mondo pronto ed entusiasta di utilizzare questa struttura, " disse Kamal Oudrhiri, Mission manager di JPL per CAL. "La vasta gamma di esperimenti che intendono eseguire significa che ci sono molte tecniche per manipolare e raffreddare gli atomi che dobbiamo adattare alla microgravità, prima di consegnare lo strumento ai ricercatori principali per iniziare le operazioni scientifiche." La fase scientifica dovrebbe iniziare all'inizio di settembre e durerà tre anni.

Il Cold Atom Laboratory è stato lanciato sulla stazione spaziale il 21 maggio, 2018, a bordo di una navicella spaziale Cygnus Northrop Grumman (precedentemente Orbital ATK) dalla Wallops Flight Facility della NASA in Virginia. Progettato e costruito al JPL, CAL è sponsorizzato dall'International Space Station Program presso il Johnson Space Center della NASA a Houston, e la divisione per la ricerca e le applicazioni delle scienze spaziali e fisiche (SLPSRA) della direzione della missione per l'esplorazione umana e le operazioni della NASA presso la sede della NASA a Washington.