Température la plus basse jamais atteinte : 10 picokelvins

Quelle est la température la plus basse jamais enregistrée ?

La température la plus basse jamais atteinte est une température équivalente de 9,7 picokelvins, obtenue à bord de la station spatiale chinoise et publiée dans la revue Science le 5 novembre 2026 ^[1][2]. Un picokelvin est un billionième de kelvin : les atomes se trouvaient donc à moins de dix billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu ^[2].

L'article scientifique, intitulé « Quantum gases below 10 picokelvin in space », décrit un condensat de Bose-Einstein (BEC) de 2,0 × 10^4, soit 20.000 atomes, qui a atteint cette température équivalente avec un temps d'expansion libre de 7,0 secondes ^[1]. L'équipe a utilisé des atomes de rubidium ^[2][3].

Selon l'article d'actualité de Science, ce résultat a abaissé d'un facteur quatre la température la plus basse jamais atteinte ^[2]. Ernst Rasel, physicien quantique à l'université Leibniz de Hanovre, dont l'équipe avait établi le record précédent en 2021, a déclaré à Science : « Je félicite les scientifiques. Je suis très impressionné » ^[2].

De nombreux titres de presse arrondissent ce chiffre à 10 picokelvins. Les deux valeurs apparaissent dans les comptes rendus : l'article indique moins de 10 pK, et le journaliste de Science décrit des vitesses atomiques finales équivalentes à environ 10 pK ^[1][2].

10 picokelvins, c'est combien de froid par rapport à l'espace ?

Bien plus froid que tout ce que les astronomes connaissent dans la nature. L'espace est baigné par le fond diffus cosmologique, que la NASA mesure à environ 2,725 kelvins ^[5]. En divisant 2,725 K par 9,7 pK, on voit que le rayonnement de fond de l'Univers est environ 280 milliards de fois plus chaud que les atomes de Tiangong.

Le zéro absolu, 0 kelvin, correspond à moins 273,15 °C ou moins 459,67 °F ^[4]. Sur ces échelles, le nouveau record est indiscernable du zéro absolu, ce qui explique pourquoi les physiciens emploient le kelvin et ses minuscules sous-multiples :

• Nanokelvin (nK) : un milliardième de kelvin. Les premières expériences de BEC atteignaient environ 100 nK ^[2].
• Picokelvin (pK) : un billionième de kelvin. Les expériences spatiales se situent désormais dans cet ordre de grandeur ^[1][2].

On pense qu'il est impossible d'atteindre exactement zéro. Selon l'une des formulations du troisième principe de la thermodynamique, atteindre le zéro absolu exigerait un nombre infini d'étapes, a expliqué Saibal Mitra, physicien interrogé par Live Science ^[4].

Comment les scientifiques ont-ils atteint 10 picokelvins ?

En piégeant des atomes de rubidium avec des lasers en microgravité, en laissant s'échapper les plus chauds, puis en laissant les autres s'étaler doucement ^[2][3]. Selon le récit de Science, les étapes étaient les suivantes ^[2] :

1. Piéger : environ 2 millions d'atomes de rubidium étaient maintenus dans un piège optique intérieur de 54 micromètres de large, formé à l'endroit où deux faisceaux laser intenses se croisent. Les lasers fonctionnaient à 5 watts.
2. Évaporer : la puissance a été abaissée progressivement jusqu'à 0,2 milliwatt, ce qui a permis aux atomes les plus énergétiques de s'échapper. Les 20.000 atomes restants ont été refroidis à 3 nK.
3. Étaler : les atomes ont été autorisés à se répandre dans un piège plus large de 124 micromètres, ce qui a réduit la force de leurs interactions. Au final, ils se déplaçaient à moins de 100 micromètres par seconde.

« Nous gardons le même nombre d'atomes. Seule l'énergie d'interaction change », a déclaré Xuzong Chen, de l'université de Pékin, scientifique en chef de l'instrument ^[2]. L'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai ajoute que le refroidissement par évaporation dans un piège optique est moins efficace en microgravité, si bien que l'équipe a employé un gradient magnétique supplémentaire pour aider à produire le condensat ^[3].

L'instrument est le Cold Atom Physics Rack, installé dans le module de laboratoire Mengtian de la station, lancé en 2022 ^[2][3]. Selon l'institut, ses concepteurs ont réduit un système au sol d'environ 20 mètres cubes et 10 tonnes à un instrument de vol d'environ 0,7 mètre cube et une demi-tonne ^[3].

9,7 picokelvins : est-ce une vraie température ?

C'est une température équivalente qui décrit la lenteur du mouvement des atomes, et non une valeur lue sur un thermomètre ^[3]. L'institut de Shanghai précise que le chiffre de 9,7 pK « caractérise l'expansion extrêmement lente des atomes » et ne signifie pas que l'équipement ou son environnement ont atteint la même température ^[3].

L'article de recherche emploie lui-même l'expression « température équivalente » ^[1]. Les scientifiques l'estiment à partir de la vitesse à laquelle le nuage d'atomes libéré s'étale ; un étalement plus lent signifie une énergie plus faible ^[2][3]. Science indique des vitesses finales inférieures à 100 micromètres par seconde ^[2]. Le compte rendu de Phys.org sur l'article donne une plage d'incertitude de 7,0 à 12,9 pK autour de la valeur de 9,7 pK ^[7].

Cette distinction compte lorsqu'on compare des records. Le record précédent de 38 pK, comme celui de 52 pK de la NASA, sont eux aussi des températures effectives déduites de la vitesse d'expansion du nuage ; la comparaison porte donc sur des grandeurs de même nature, même si les méthodes des expériences diffèrent ^[2][6][7]. Comparer avec la température d'un réfrigérateur, d'une planète ou de l'espace profond est utile pour fixer les idées, mais ce n'est pas de la physique précise.

Pourquoi ce record a-t-il été établi dans l'espace plutôt que sur Terre ?

La gravité tire les atomes ultrafroids vers le bas, ce qui oblige les scientifiques à les retenir dans des pièges plus forts qui les maintiennent plus chauds ^[2][3]. Science explique que la gravité comprime les atomes contre les champs qui les suspendent, ce qui fait monter leur température ^[2]. En orbite, le piège peut être beaucoup plus faible et les atomes peuvent être observés plus longtemps ^[3].

Wolfgang Ketterle, physicien au MIT et prix Nobel 2001, a remis cette observation de sept secondes en perspective : « Sur Terre, il tomberait d'environ 250 mètres, et s'écraserait donc au sol à moins de disposer d'une chambre à vide de 250 mètres de haut » ^[3].

Les tentatives antérieures pour échapper à la gravité comprenaient le largage de puces atomiques du haut de tours et leur envol à bord de fusées suborbitales ^[2]. La NASA a lancé son Cold Atom Laboratory vers la Station spatiale internationale en 2018 ^[2], et un condensat de Bose-Einstein produit à bord de la station a atteint des températures effectives de 52 pK, annoncées dans Nature Communications en 2022 ^[6]. Le record précédent, 38 pK avec 2 secondes d'expansion libre, provenait d'un piège magnétique à puce atomique en microgravité ^[1] ; Science News le décrit comme une expérience en tour de chute publiée en 2021 ^[6].

L'instrument chinois se distingue par l'emploi de pièges optiques, faits de lumière laser, plutôt que magnétiques ^[1][2]. L'article précise que les pièges optiques n'avaient encore jamais servi à préparer de tels gaz quantiques en microgravité ^[1].

Qu'est-ce qu'un condensat de Bose-Einstein ?

Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière dans lequel des atomes très froids se rassemblent en une seule onde quantique et se comportent de façon collective ^[2][3]. Science le compare aux photons d'un faisceau laser et note que les atomes d'un BEC peuvent s'écouler sans résistance et produire des figures d'interférence ^[2].

Satyendra Nath Bose et Albert Einstein ont prédit les condensats en 1924 ; deux équipes les ont obtenus pour la première fois en 1995, l'une avec du rubidium-87 et l'autre avec du sodium-23, des travaux récompensés par le prix Nobel de physique 2001 ^[2]. Live Science décrit le condensat comme se comportant à la manière d'un seul atome ^[4].

Comme ses effets sont visibles à des échelles bien supérieures à celle d'un atome isolé, les BEC permettent aux chercheurs d'étudier directement le comportement quantique ^[3]. Pour une introduction accessible aux notions apparentées, voir Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not. Pour une autre actualité spatiale de cette semaine, voir Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows.

À quoi pourraient servir des atomes ultrafroids dans l'espace ?

Principalement à la mesure de précision et à la simulation quantique ; les chercheurs et des experts indépendants présentent ces usages comme des pistes de travaux futurs ^[2][3].

• Tester la gravité : de longs temps d'expansion sont idéaux pour des expériences d'interférométrie qui pourraient vérifier si la gravité attire tous les types d'atomes de la même façon, comme le suppose la relativité générale, rapporte Science ^[2]. « Les 7 secondes sont un critère de mérite encore plus important que les 10 picokelvins », a déclaré Holger Mueller, de l'UC Berkeley ^[2].
• Interféromètres atomiques : Rasel a indiqué à l'institut de Shanghai que leur sensibilité augmente avec le carré du temps que les atomes passent dans l'instrument, et que de tels outils pourraient aider à mesurer le champ de gravité terrestre et à tester des modèles de matière noire ^[3].
• Simulation quantique : l'équipe prévoit des réseaux optiques, des grilles de points laser qui imitent un cristal, pour simuler des effets liés à la supraconductivité à haute température ^[2][3].
• Atomes mixtes : Hélène Perrin, de l'université Sorbonne Paris Nord, a fait observer que les pièges optiques peuvent maintenir simultanément des atomes dans différents états internes ^[2].

Weibiao Chen, de l'institut de Shanghai, a déclaré à Science que le rack est « ouvert à la communauté internationale » ^[2]. Aucune de ces applications n'a encore été démontrée avec cet instrument.