Qual è il posto più freddo che ti viene in mente? Le temperature in una giornata invernale in Antartide scendono fino a -120ºF (-85ºC). Sul lato oscuro della Luna, hanno raggiunto -280ºF (-173ºC). Ma all'interno del Cold Atom Laboratory della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale, gli scienziati stanno creando qualcosa di ancora più freddo.

Il Cold Atom Lab (CAL) è la prima struttura in orbita a produrre nuvole di atomi "ultrafreddi", che può raggiungere una frazione di grado sopra lo zero assoluto:-459ºF (-273ºC), la temperatura più fredda assoluta che la materia possa raggiungere. Nulla in natura è noto per raggiungere le temperature raggiunte in laboratori come CAL, il che significa che la struttura orbitante è regolarmente il punto conosciuto più freddo dell'universo.

Il Cold Atom Laboratory della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale è regolarmente il punto più freddo conosciuto nell'universo. Ma perché gli scienziati producono nuvole di atomi a una frazione di grado sopra lo zero assoluto? E perché hanno bisogno di farlo nello spazio? Fisica quantistica, Certo.

Sette mesi dopo il suo 21 maggio, 2018, lancio verso la stazione spaziale dal Wallops Flight Facility della NASA in Virginia, CAL produce quotidianamente atomi ultrafreddi. Cinque squadre di scienziati effettueranno esperimenti su CAL durante il suo primo anno, e tre esperimenti sono già in corso.

Perché raffreddare gli atomi a un livello così basso? Gli atomi a temperatura ambiente tipicamente sfrecciano intorno come colibrì iperattivi, ma gli atomi ultrafreddi si muovono molto più lentamente anche di una lumaca. Le specifiche variano, ma gli atomi ultrafreddi possono essere più di 200, 000 volte più lento degli atomi a temperatura ambiente. Questo apre nuovi modi per studiare gli atomi e nuovi modi per usarli per le indagini su altri fenomeni fisici. L'obiettivo scientifico principale di CAL è condurre ricerche di fisica fondamentale, per cercare di comprendere il funzionamento della natura ai livelli più fondamentali.

"Con CAL stiamo iniziando a comprendere a fondo come si comportano gli atomi in condizioni di microgravità, come manipolarli, come il sistema è diverso da quelli che usiamo sulla Terra, " ha detto Rob Thompson, un fisico dell'atomo freddo al Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, e lo scienziato della missione per CAL. "Questa è tutta la conoscenza che creerà le basi per quello che spero sia un lungo futuro della scienza dell'atomo freddo nello spazio".

I laboratori sulla Terra possono produrre atomi ultrafreddi, ma per terra, la gravità attira le nuvole atomiche fredde e cadono rapidamente, dando agli scienziati solo frazioni di secondo per osservarli. I campi magnetici possono essere usati per "intrappolare" gli atomi e tenerli fermi, ma ciò limita il loro movimento naturale. In microgravità, le fredde nubi atomiche galleggiano molto più a lungo, dando agli scienziati una visione estesa del loro comportamento.

Il processo per creare le nuvole atomiche fredde inizia con i laser che iniziano ad abbassare la temperatura rallentando gli atomi. Le onde radio tagliano via i membri più calorosi del gruppo, abbassando ulteriormente la temperatura media. Finalmente, gli atomi vengono rilasciati da una trappola magnetica e lasciati espandere. Ciò provoca un calo di pressione che, a sua volta, provoca naturalmente un altro abbassamento della temperatura della nuvola (lo stesso fenomeno che fa sentire fredda una bomboletta di aria compressa dopo l'uso). Nello spazio, la nuvola ha più tempo per espandersi e quindi raggiungere temperature ancora più basse di quelle che possono essere raggiunte sulla Terra, fino a circa un decimiliardesimo di grado sopra lo zero assoluto, forse anche più basso.

Gli impianti atomici ultrafreddi sulla Terra occupano tipicamente un'intera stanza, e nella maggior parte, l'hardware viene lasciato esposto in modo che gli scienziati possano regolare l'apparato se necessario. La costruzione di un laboratorio di atomi freddi per lo spazio ha posto diverse sfide progettuali, alcuni dei quali modificano la natura fondamentale di queste strutture. Primo, c'era la questione delle dimensioni:CAL volò alla stazione in due pezzi:una scatola di metallo un po' più grande di un minifrigo e una seconda delle dimensioni di un bagaglio a mano. Secondo, CAL è stato progettato per essere azionato a distanza dalla Terra, quindi è stato costruito come una struttura completamente chiusa.

CAL dispone anche di una serie di tecnologie che non sono mai state volate nello spazio prima, come celle a vuoto specializzate che contengono gli atomi, che devono essere sigillati così strettamente che quasi nessun atomo vagante può penetrare all'interno. Il laboratorio doveva essere in grado di resistere allo scuotimento del lancio e alle forze estreme sperimentate durante il volo verso la stazione spaziale. I team hanno impiegato diversi anni per sviluppare hardware unico in grado di soddisfare le precise esigenze di raffreddamento degli atomi nello spazio.

"Diverse parti del sistema hanno richiesto una riprogettazione, e alcune parti si sono rotte in modi che non avevamo mai visto prima, " ha detto Robert Shotwell, capo ingegnere per l'astronomia del JPL, Direzione della Fisica e delle Tecnologie Spaziali e project manager del CAL. "La struttura doveva essere completamente smontata e rimontata tre volte".

Tutto il duro lavoro e la risoluzione dei problemi dall'inizio della missione nel 2012 hanno trasformato la visione del team CAL in realtà lo scorso maggio. I membri del team CAL hanno parlato tramite video in diretta con gli astronauti Ricky Arnold e Drew Feustel a bordo della Stazione Spaziale Internazionale per l'installazione del Cold Atom Laboratory, il secondo impianto per atomi ultrafreddi mai operato nello spazio, il primo a raggiungere l'orbita terrestre e il primo a rimanere nello spazio per più di qualche minuto. Lungo la strada, CAL ha anche soddisfatto i requisiti minimi fissati dalla NASA per ritenere la missione un successo e sta fornendo uno strumento unico per sondare i misteri della natura.