Les scientifiques ont observé le cinquième état de la matière dans l’espace pour la première fois, offrant des informations sans précédent qui pourraient aider à résoudre certaines des énigmes les plus difficiles à résoudre de l’univers quantique, ont montré les recherches jeudi.
Les condensats de Bose-Einstein (BEC) – dont l’existence avait été prédite par Albert Einstein et le mathématicien indien Satyendra Nath Bose il y a près d’un siècle – se forment lorsque les atomes de certains éléments sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu (0 Kelvin, moins 273,15 degrés Celsius).
À ce stade, les atomes deviennent une entité unique avec des propriétés quantiques, dans laquelle chaque particule fonctionne également comme une onde de matière.
Les BEC chevauchent la ligne entre le monde macroscopique gouverné par des forces telles que la gravité et le plan microscopique, gouverné par la mécanique quantique.
Les scientifiques croient que les BEC contiennent des indices vitaux sur des phénomènes mystérieux tels que l’énergie sombre – l’énergie inconnue qui serait à l’origine de l’expansion accélérée de l’univers.
Mais les BEC sont extrêmement fragiles. La moindre interaction avec le monde extérieur suffit à les réchauffer au-delà de leur seuil de condensation.
Cela les rend presque impossible pour les scientifiques d’étudier sur Terre, où la gravité interfère avec les champs magnétiques nécessaires pour les maintenir en place pour l’observation.
Jeudi, une équipe de scientifiques de la NASA a dévoilé les premiers résultats d’expériences BEC à bord de la Station spatiale internationale (ISS), où les particules peuvent être manipulées sans contraintes terrestres.
« La microgravité nous permet de confiner des atomes avec des forces beaucoup plus faibles car nous n’avons pas à les soutenir contre la gravité », a déclaré à l’Agence France-Presse (AFP) Robert Thompson de l’Institut californien de technologie de Pasadena.
La recherche publiée dans la revue Nature documente plusieurs différences surprenantes dans les propriétés des BEC créés sur Terre et ceux à bord de l’ISS.
D’une part, les BEC dans les laboratoires terrestres durent généralement quelques millisecondes avant de se dissiper.
À bord de l’ISS, les BEC ont duré plus d’une seconde, offrant à l’équipe une chance sans précédent d’étudier leurs propriétés.
La microgravité a également permis aux atomes d’être manipulés par des champs magnétiques plus faibles, accélérant leur refroidissement et permettant une imagerie plus claire.
Percée «remarquable»
Créer le cinquième état de la matière, en particulier dans les limites physiques d’une station spatiale, n’est pas une mince affaire.
Premièrement, les bosons – des atomes qui ont un nombre égal de protons et d’électrons – sont refroidis à zéro absolu à l’aide de lasers pour les fixer en place.
Plus les atomes se déplacent lentement, plus ils deviennent froids.
Lorsqu’ils perdent de la chaleur, un champ magnétique est introduit pour les empêcher de bouger et l’onde de chaque particule se dilate, entassant de nombreux bosons dans un « piège » microscopique qui fait que leurs ondes se chevauchent en une seule onde de matière – une propriété connue sous le nom de dégénérescence quantique.
La seconde où le piège magnétique est libéré afin que les scientifiques étudient le condensat, cependant, les atomes commencent à se repousser, provoquant la fuite du nuage et les BEC deviennent trop dilués pour être détectés.
Thompson et l’équipe ont réalisé que la microgravité à bord de l’ISS leur permettait de créer des BEC à partir de rubidium – un métal mou similaire au potassium – sur un piège beaucoup moins profond que sur Terre. Cela explique le temps considérablement accru pendant lequel le condensat a pu être étudié avant de diffuser.
« Plus important encore, nous pouvons observer les atomes alors qu’ils flottent entièrement non confinés (et donc non perturbés) par des forces externes », a déclaré Thompson.
Des études antérieures tentant d’émuler l’effet de l’apesanteur sur les BEC utilisaient des avions en chute libre, des roquettes et même des appareils tombant de différentes hauteurs.
Le chef de l’équipe de recherche David Aveline a déclaré à l’AFP que l’étude des BEC en microgravité ouvrait de nombreuses perspectives de recherche.
« Les applications vont des tests de relativité générale et des recherches sur l’énergie noire et les ondes gravitationnelles à la navigation et à la prospection de vaisseaux spatiaux pour les minéraux souterrains sur la lune et d’autres corps planétaires », a-t-il déclaré.
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