Souffler sur une soupe chaude : un geste familier transporté à 400 kilomètres d’altitude
Face à un bol de bouillon brûlant, chacun a le réflexe naturel de souffler doucement sur la surface. Les molécules les plus rapides et les plus énergétiques sont chassées par le souffle, ce qui abaisse progressivement la température moyenne du liquide. En physique, ce phénomène du quotidien porte le nom de refroidissement par évaporation.
Le compartiment congélateur d’un réfrigérateur domestique avoisine généralement les -18 °C. Au cœur de l’Antarctique, région la plus inhospitalière du globe, la température la plus basse jamais mesurée sur Terre n’a atteint que -89 °C. Pourtant, le 5 novembre 2026, des chercheurs chinois ont publié une avancée majeure dans la revue Science. En expédiant un dispositif de refroidissement de haute précision sur une orbite à 400 kilomètres d’altitude, ils ont produit à bord de la station spatiale Tiangong la matière la plus froide jamais observée dans l’histoire humaine.
Ce dispositif expérimental automatisé est parvenu à refroidir des atomes jusqu’à 9,7 picokelvins. Le picokelvin (un millième de milliardième de kelvin) représente une échelle de température infinitésimale. La thermodynamique impose une limite infranchissable appelée zéro absolu (environ -273,15 °C), niveau où l’agitation thermique des particules cesse presque totalement. Le gaz atomique obtenu à bord de la station chinoise ne s’est trouvé qu’à dix mille milliardièmes de degré au-dessus de cette frontière théorique.
La gravité écrase les nuages atomiques fragiles : la nécessaire échappée orbitale
Pourquoi consacrer tant d’efforts à transporter de délicats équipements cryogéniques dans l’espace ? La raison se niche dans la pesanteur terrestre. À l’échelle microscopique, la température mesure directement l’intensité du mouvement atomique : plus un milieu est chaud, plus ses molécules s’agitent vigoureusement. Refroidir revient simplement à freiner cette agitation.
Pour confiner et refroidir des atomes dans le vide, les physiciens déploient des faisceaux laser afin d’ériger des champs de force invisibles. Ces structures de piégeage, appelées puits de potentiel, se comportent comme un bol au profil parfaitement lisse. Dès lors que la température plonge sous le milliardième de degré, ce bol optique doit être réglé de façon extrêmement plate et évasée pour laisser au nuage atomique l’espace de se détendre.
Mais à la surface de la Terre, cette démarche se heurte à une barrière physique incontournable. La gravité tire constamment sur les particules élémentaires. Dès que le bol optique s’aplanit, le nuage atomique s’effondre sous son propre poids et s’échappe par le fond. Des physiciens allemands ont bien érigé à Brême une tour de chute libre de 146 mètres pour créer une brève apesanteur, mais le temps d’observation y était limité à environ deux secondes.
Pour maintenir des atomes ultrafroids en suspension prolongée, il faut impérativement s’affranchir de la pesanteur terrestre. Le module laboratoire Mengtian de la station Tiangong évolue en microgravité, un état de chute libre orbitale où les objets ne subissent plus la compression de leur propre poids. Libéré de cette force verticale, le fragile nuage atomique peut enfin flotter en apesanteur sans s’effondrer.
Figure : La station spatiale Tiangong en orbite. Source : CMSA / SCMP
Des pièges laser aux bols aplatis : 20 000 atomes plus lents qu’un escargot
La station Tiangong embarque la baie d’expérimentation de physique des atomes froids (CAPR, pour Cold Atom Physics Rack). Au sein de cette installation automatisée, l’équipe a utilisé un piège dipolaire optique – un agencement de faisceaux laser croisés fonctionnant comme des pinces optiques qui retiennent les atomes grâce aux forces électromagnétiques. Dans l’enceinte sous vide extrême, les faisceaux ont d’abord immobilisé environ deux millions d’atomes de rubidium 87, un isotope alcalin souple et propice au contrôle optique.
L’équipe a d’abord activé un laser d’une puissance de 5 watts pour circonscrire les atomes dans une cavité minuscule de 54 micromètres. Le système automatisé a ensuite abaissé graduellement la puissance jusqu’à 0,2 milliwatt seulement. Tout comme lorsque l’on souffle sur un bol de soupe, les atomes les plus agités se sont échappés par les bords du piège. La température des atomes restants est descendue à 3,1 nanokelvins, provoquant leur condensation en un condensat de Bose-Einstein (BEC) – un état quantique macroscopique dans lequel les particules agissent d’un seul bloc.
Les chercheurs ont ensuite relâché ce groupe d’atomes dans un piège optique élargi à 124 micromètres. Libéré de l’attraction gravitationnelle, le nuage s’est détendu en toute fluidité. Grâce à la raréfaction des collisions interatomiques, sa température effective est tombée à 9,7 picokelvins. Cette mesure est près de quatre fois plus froide que le record précédent de 38 picokelvins établi dans la tour de chute de Brême, et surpasse nettement les 52 picokelvins enregistrés en 2020 par le laboratoire d’atomes froids de la NASA sur l’ISS.
Le fond diffus cosmologique dans l’espace lointain présente une température résiduelle d’environ 2,7 kelvins. Le gaz atomique élaboré dans Tiangong s’avère plus de 200 milliards de fois plus froid que le vide spatial naturel. À 9,7 picokelvins, la vitesse de dérive des 20 000 atomes de rubidium est descendue sous les 200 micromètres par seconde. Un escargot de jardin met environ 50 secondes pour parcourir un centimètre, soit précisément une vitesse moyenne de 200 micromètres par seconde. Ces atomes ultrafroids se déplacent ainsi à la même allure qu’un gastéropode, mettant plus d’une demi-minute à franchir l’épaisseur d’un simple cheveu humain.
Figure : Schéma du piège optique laser confinant des atomes ultrafroids à bord de la station spatiale. Source : Xiaoji Zhou / Université de Pékin (via DongA Science)
Sept secondes d’expansion libre : une fenêtre d’observation plus précieuse que le record
Aux yeux de nombreux physiciens quantiques, l’abaissement du record thermique n’est que la première étape. La véritable avancée réside dans le fait que le nuage atomique a pu maintenir son expansion libre durant sept secondes entières dans l’espace, permettant un suivi et une imagerie continue sur toute cette durée.
Les tours de chute terrestres sont tributaires de leur hauteur géométrique et ne permettent guère plus de deux secondes d’observation. Les précédents essais sur l’ISS se limitaient également à une fenêtre d’environ une seconde. Holger Müller, physicien à l’université de Californie à Berkeley, a souligné publiquement que ces sept secondes constituent un indicateur bien plus marquant que le franchissement des 10 picokelvins. Même si la recherche au sol parvient un jour à générer de telles températures, maintenir des atomes en suspension pendant sept secondes en chute libre relève de l’impossible sur Terre.
Cette fenêtre étendue à sept secondes équivaut pour les chercheurs à disposer d’une caméra ultra-rapide à temps de pose prolongé. Plus les atomes dérivent lentement et plus ils demeurent stables en apesanteur, plus il devient facile de s’affranchir des perturbations environnementales. La résolution des mesures de précision croît de manière spectaculaire à mesure que le temps disponible s’allonge.
Le physicien allemand Ernst Rasel, dont l’équipe détenait l’ancien record mondial, a tenu à adresser ses chaleureuses félicitations aux chercheurs chinois. Chen Weibiao, chercheur à l’Institut d’optique et de mécanique de précision de Shanghai (Académie chinoise des sciences), a rappelé que cette baie d’expérimentation d’atomes froids est ouverte aux collaborations internationales, invitant les scientifiques du monde entier à exploiter cette plateforme d’avant-garde.
Affranchie de la pesanteur, la station Tiangong pose un nouveau jalon métrologique
Produire un froid aussi extrême et le maintenir en suspension dans l’espace sert directement les fondements de la physique. L’objectif premier est de mettre à l’épreuve le principe d’équivalence d’Einstein, selon lequel deux corps de masses différentes subissent une accélération gravitationnelle rigoureusement identique lors d’une chute libre.
À terme, l’équipe prévoit de relâcher simultanément en orbite des nuages composés de deux éléments atomiques distincts. La fenêtre de flottement de sept secondes portera la comparaison des accélérations microscopiques à des degrés de précision inégalés. Ces ensembles d’atomes ultrafroids pourront également se muer en gravimètres quantiques ultrasensibles, capables de cartographier depuis l’orbite les infimes variations du champ gravitationnel terrestre pour surveiller la dynamique des nappes phréatiques ou la fonte des calottes glaciaires.
Sur Terre, la gravité broie inlassablement les nuages d’atomes ultrafroids dès que les pièges de confinement s’élargissent. En s’appuyant sur la microgravité orbitale, la station spatiale chinoise a refroidi 20 000 atomes de rubidium à 9,7 picokelvins, soit au moins quatre fois plus froid que toutes les références antérieures. Cette fenêtre de vol libre de sept secondes offre désormais à l’humanité un outil métrologique d’une acuité exceptionnelle pour sonder les lois de la physique quantique et de la gravitation.
Références :
- Science : Quantum gases below 10 picokelvin in space
- Science News : China space station cold atom experiment creates record low temperature
- SCMP : Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station
- DongA Science : Chinese scientists break record for coldest temperature in space
