Vad är det kallaste stället du kan tänka dig? Temperaturerna en vinterdag i Antarktis sjunker så lågt som -120ºF (-85ºC). På månens mörka sida, de träffade -280ºF (-173ºC). Men inne i NASA:s Cold Atom Laboratory på den internationella rymdstationen, forskare skapar något ännu kallare.

Cold Atom Lab (CAL) är den första anläggningen i omloppsbana för att producera moln av "ultrakylda" atomer, som kan nå en bråkdel av en grad över den absoluta nollan:-459ºF (-273ºC), den absolut kallaste temperaturen som materia kan nå. Ingenting i naturen är känt för att nå temperaturerna i laboratorier som CAL, vilket innebär att kretsloppsanläggningen regelbundet är den kallaste kända platsen i universum.

NASA:s Cold Atom Laboratory på International Space Station är regelbundet den kallaste kända platsen i universum. Men varför producerar forskare moln av atomer en bråkdel av en grad över den absoluta nollan? Och varför behöver de göra det i rymden? Kvantfysik, självklart.

Sju månader efter den 21 maj, 2018, lansering till rymdstationen från NASA:s Wallops Flight Facility i Virginia, CAL producerar dagligen ultrakylda atomer. Fem forskarlag kommer att utföra experiment på CAL under sitt första år, och tre experiment pågår redan.

Varför kyla atomer till en sådan extrem låg? Atomer vid rumstemperatur glider vanligtvis runt som hyperaktiva kolibrier, men ultrakylda atomer rör sig mycket långsammare än ens en snigel. Specifikationer varierar, men ultrakylda atomer kan vara mer än 200, 000 gånger långsammare än rumstemperaturatomer. Detta öppnar nya sätt att studera atomer och nya sätt att använda dem för undersökningar av andra fysiska fenomen. CAL:s primära vetenskapliga mål är att bedriva grundläggande fysikforskning - att försöka förstå naturens funktion på de mest grundläggande nivåerna.

"Med CAL börjar vi få en riktigt grundlig förståelse för hur atomerna beter sig i mikrogravitation, hur man manipulerar dem, hur systemet är annorlunda än de vi använder på jorden, "sade Rob Thompson, en kall atomfysiker vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, och uppdragsforskaren för CAL. "Detta är all kunskap som kommer att bygga en grund för det jag hoppas är en lång framtid för kallatomvetenskap i rymden."

Laboratorier på jorden kan producera ultrakylda atomer, men på marken, tyngdkraften drar på de kylda atommolnen och de faller snabbt, ger forskare bara bråkdelar av en sekund att observera dem. Magnetfält kan användas för att "fälla" atomerna och hålla dem stilla, men det begränsar deras naturliga rörelse. I mikrogravitation, de kalla atommolnen flyter mycket längre, ge forskare en utökad syn på deras beteende.

Processen för att skapa de kalla atommolnen börjar med lasrar som börjar sänka temperaturen genom att sakta ner atomerna. Radiovågor skär bort de varmaste medlemmarna i gruppen, sänka medeltemperaturen ytterligare. Till sist, atomerna frigörs från en magnetisk fälla och får expandera. Detta orsakar ett tryckfall som, i tur och ordning, orsakar naturligtvis ytterligare en nedgång i molnets temperatur (samma fenomen som gör att en burk tryckluft känns kall efter användning). I rymden, molnet har längre att expandera och når därmed ännu lägre temperaturer än vad som kan uppnås på jorden - ner till ungefär en tio miljardelsgrad över den absoluta nollan, kanske ännu lägre.

Ultrakylda atomanläggningar på jorden upptar vanligtvis ett helt rum, och i de flesta, hårdvaran lämnas utsatt så att forskare kan justera apparaten om det behövs. Att bygga ett kallt atomlaboratorium för rymden innebar flera designutmaningar, varav några förändrar dessa anläggningars grundläggande karaktär. Först, det var fråga om storlek:CAL flög till stationen i två delar-en metalllåda lite större än en minikylskåp och en andra ungefär lika stor som en handbagage. Andra, CAL utformades för att drivas på distans från jorden, så det byggdes som en helt sluten anläggning.

CAL har också ett antal tekniker som aldrig har flugits i rymden tidigare, såsom specialiserade vakuumceller som innehåller atomer, som måste tätas så tätt att nästan inga lösa atomer kan läcka in. Labbet behövde kunna motstå skakningar av uppskjutning och extrema krafter som upplevdes under flygningen till rymdstationen. Det tog teamen flera år att utveckla unik hårdvara som kunde tillgodose de exakta behoven för kylning av atomer i rymden.

"Flera delar av systemet krävde omdesign, och vissa delar gick sönder på sätt som vi aldrig sett förut, "sade Robert Shotwell, chefsingenjör för JPL:s astronomi, Fysik- och rymdteknikdirektoratet och CAL -projektledare. "Anläggningen måste rivas helt och sättas ihop tre gånger."

Allt hårt arbete och problemlösning sedan uppdragets start 2012 förvandlade CAL -teamets vision till verklighet i maj. CAL -teammedlemmar pratade via livevideo med astronauterna Ricky Arnold och Drew Feustel ombord på den internationella rymdstationen för installationen av Cold Atom Laboratory, den andra ultrakylda atomanläggningen som någonsin fungerat i rymden, den första att nå jordens bana och den första som stannade i rymden i mer än några minuter. Längs vägen, CAL har också uppfyllt de minimikrav som NASA ställt för att anse att uppdraget är framgångsrikt och tillhandahåller ett unikt verktyg för att undersöka naturens mysterier.