Den internationella rymdstationen är officiellt hem till det coolaste experimentet i rymden.

NASA:s Cold Atom Laboratory (CAL) installerades i stationens amerikanska vetenskapslabb i slutet av maj och producerar nu moln av ultrakalla atomer som kallas Bose-Einstein-kondensat. Dessa "BEC" når temperaturer strax över absolut noll, punkten där atomer teoretiskt sett borde sluta röra sig helt. Detta är första gången BEC någonsin har producerats i omloppsbana.

CAL är en fleranvändaranläggning dedikerad till studiet av grundläggande naturlagar med hjälp av ultrakalla kvantgaser i mikrogravitation. Kalla atomer är långlivade, exakt kontrollerade kvantpartiklar som ger en idealisk plattform för studier av kvantfenomen och potentiella tillämpningar av kvantteknologier. Denna NASA-anläggning är den första i sitt slag i rymden. Den är utformad för att främja forskarnas förmåga att göra precisionsmätningar av gravitationen, undersöka långvariga problem inom kvantfysik (studiet av universum i de allra minsta skalorna), och utforskar materiens vågliknande natur.

"Att ha ett BEC-experiment i drift på rymdstationen är en dröm som går i uppfyllelse, sa Robert Thompson, CAL-projektforskare och fysiker vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Det har varit länge, svår väg att komma hit, men helt värt kampen, för det finns så mycket vi kommer att kunna göra med den här anläggningen."

CAL-forskare bekräftade förra veckan att anläggningen har producerat BEC från rubidiumatomer, med temperaturer så låga som 100 nanokelvin, eller en tiomiljondels Kelvin över absoluta noll. (Absolut noll, eller noll Kelvin, är lika med minu 459 grader Fahrenheit, eller minus 273 grader Celsius). Det är kallare än medeltemperaturen i rymden, vilket är cirka 3 Kelvin (minus 454 grader Fahrenheit/minus 270 grader Celsius). Men CAL-forskarna har siktet ännu lägre, och förvänta sig att nå temperaturer kallare än vad några BEC-experiment har uppnått på jorden.

Vid dessa extremt kalla temperaturer, atomerna i en BEC börjar bete sig olik allt annat på jorden. Faktiskt, BEC karakteriseras som ett femte materiatillstånd, skiljer sig från gaser, vätskor, fasta ämnen och plasma. I en BEC, atomer fungerar mer som vågor än partiklar. Atomers vågnatur är vanligtvis bara observerbar i mikroskopisk skala, men BEC gör detta fenomen makroskopiskt, och därmed mycket lättare att studera. De ultrakalla atomerna antar alla sitt lägsta energitillstånd, och ta på sig samma vågidentitet, blir omöjliga att skilja från varandra. Tillsammans, atommolnen är som en enda "superatom, " istället för enskilda atomer.

Inte ett enkelt instrument

"CAL är ett extremt komplicerat instrument, sa Robert Shotwell, chefsingenjör för JPL:s direktorat för astronomi och fysik, som har övervakat det utmanande projektet sedan februari 2017. "Vanligtvis, BEC-experiment involverar tillräckligt med utrustning för att fylla ett rum och kräver nästan konstant övervakning av forskare, medan CAL är ungefär lika stort som ett litet kylskåp och kan fjärrstyras från jorden. Det var en kamp och krävde betydande ansträngningar för att övervinna alla hinder som krävs för att producera den sofistikerade anläggningen som är i drift på rymdstationen idag."

De första laboratoriets BEC tillverkades 1995, men fenomenet förutspåddes först 71 år tidigare av fysikerna Satyendra Nath Bose och Albert Einstein. Eric Cornell, Carl Wienman och Wolfgang Ketterle delade 2001 års Nobelpris i fysik för att vara de första att skapa och karakterisera BEC i labbet. Fem vetenskapsgrupper, inklusive grupper ledda av Cornell och Ketterle, kommer att genomföra experiment med CAL under sitt första år. Hundratals BEC-experiment har opererats på jorden sedan mitten av 1990-talet, och några BEC-experiment har till och med gjort korta resor till rymden ombord på sondraketer. Men CAL är den första anläggningen i sitt slag på rymdstationen, där forskare kan genomföra dagliga studier av BEC under långa perioder.

BEC skapas i atomfällor, eller friktionsfria behållare gjorda av magnetfält eller fokuserade lasrar. På jorden, när dessa fällor är avstängda, gravitationen drar på de ultrakalla atomerna och de kan bara studeras i bråkdelar av en sekund. Rymdstationens ihållande mikrogravitation gör det möjligt för forskare att observera individuella BEC i fem till 10 sekunder åt gången, med förmågan att upprepa dessa mätningar i upp till sex timmar per dag. När atommolnet dekomprimeras inuti atomfällan, dess temperatur sjunker naturligt, och ju längre molnet stannar i fällan, ju kallare blir det. Detta naturfenomen (att ett tryckfall också innebär ett temperaturfall) är också anledningen till att en burk sprayfärg blir kall när färgen sprayas ut:burkens inre tryck sjunker. I mikrogravitation, BEC:erna kan dekomprimera till kallare temperaturer än något jordbundet instrument. Den dagliga driften av CAL kräver inget ingripande från astronauterna ombord på stationen.

Förutom BEC tillverkade av rubidiumatomer, CAL-teamet arbetar för att göra BEC med två olika isotoper av kaliumatomer.

CAL befinner sig för närvarande i en driftsättningsfas, där operationsteamet genomför en lång serie tester för att till fullo förstå hur CAL-anläggningen fungerar i mikrogravitation.

"Det finns ett världsomspännande team av forskare redo och glada att använda den här anläggningen, sa Kamal Oudrhiri, JPL:s uppdragsledare för CAL. "Det varierande utbudet av experiment de planerar att utföra betyder att det finns många tekniker för att manipulera och kyla atomerna som vi behöver anpassa för mikrogravitation, innan vi överlämnar instrumentet till huvudutredarna för att påbörja vetenskapsverksamheten." Vetenskapsfasen förväntas börja i början av september och kommer att pågå i tre år.

Cold Atom Laboratory lanserades till rymdstationen den 21 maj, 2018, ombord på en Northrop Grumman (tidigare Orbital ATK) Cygnus rymdfarkost från NASA:s Wallops Flight Facility i Virginia. Designad och byggd på JPL, CAL sponsras av det internationella rymdstationsprogrammet vid NASA:s Johnson Space Center i Houston, och Space Life and Physical Sciences Research and Applications (SLPSRA)-avdelningen av NASA:s Human Exploration and Operations Mission Directorate vid NASA:s högkvarter i Washington.