宇宙ステーションで原子の雲が9.7ピコケルビン相当まで冷えた。重力を逃れた実験は、途中で重力の代わりを磁場で作っていた

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中国の宇宙ステーション「天宮」の中で、約2万個のルビジウム原子の雲が、相当温度で9.7ピコケルビンまで冷えた。ピコは1兆分の1で、絶対零度（マイナス273.15℃）との差が1兆分の10ケルビンほどしかない。これまでの記録38ピコケルビンを4分の1ほどに下げた。北京大学と中国科学院のチームの論文が、2026年11月5日に Science に載った。

「相当温度」は温度計の目盛りではない

宇宙の背景の温度は約2.7ケルビンある。ビッグバンの名残の光が、空っぽに見える空間にも満ちているからだ。今回の9.7ピコケルビンは、その約2800億分の1にあたる。

ただ、この数字は装置や部屋が冷えたという意味ではない。原子の雲を放して、どれだけゆっくり広がるかを測り、その動きの勢いを温度の単位に置き直したものだ。だから「相当温度」と呼ぶ。原子が遅く動くほど、相当温度は低くなる。測定には幅があり、論文の値は7〜13ピコケルビンほどの範囲に入る。

ここまで冷えた原子は、ボース＝アインシュタイン凝縮という状態になっている。ばらばらに飛び回っていた原子が同じ量子の状態にそろい、雲全体が1つの大きな波のようにふるまう。1995年にアメリカのチームが初めて作り、いまでは量子の性質を目で見える大きさで調べる道具として、世界中の研究室で使われている。

地上では、重力が冷やし方の上限を決める

凝縮をもっと冷やすには、原子を閉じ込めている「わな」を少しずつゆるめていく。閉じ込めが弱いほど、原子はゆったりと動き、エネルギーが下がる。ところが地上では、わなをゆるめすぎると原子が重力に負けて下へこぼれる。放したあとも雲はすぐに落ちていき、観察できるのは一瞬だけになる。

そこで研究者は、重力が効かない場所を探してきた。ドイツのブレーメン大学には高さ100mを超える落下塔があり、装置ごと落とせば数秒間の無重力が得られる。2021年に出た38ピコケルビンの記録は、ここで磁石のわなを使い、雲を2秒間広げて測ったものだ。宇宙でも、2017年にドイツの観測ロケットで、2018年からは国際宇宙ステーションに積んだアメリカの装置で、凝縮が作られてきた。

天宮の装置は、2022年10月31日に打ち上げた実験モジュール「夢天」に積まれた「冷原子物理ラック」だ。地上で20立方メートル・10トンほどあった実験設備を、0.7立方メートル・0.5トンほどまで縮めたという。これまでの宇宙の装置と違うのは、磁石ではなくレーザーの光で原子をつかまえる「光双極子トラップ」を使ったことだ。光のわなは装置のまわりから原子に光を当てやすく、磁気を持たない原子でも閉じ込められる。ただ、無重力の中で光のわなを使って凝縮まで冷やした例は、これまで無かった。

宇宙ステーションで原子の雲が9.7ピコケルビン相当まで冷えた。重力を逃れた実験は、途中で重力の代わりを磁場で作っていた

宇宙では、冷やす工程に重力が足りなかった

凝縮を作るときの決め手は「蒸発冷却」だ。わなの縁を少しずつ低くして、勢いのある原子から先に逃がす。残った原子の平均の勢いが下がり、雲が冷える。熱いお茶から湯気が立って冷めていくのと同じしくみだ。

地上では、この工程を重力がこっそり手伝っている。重力でわなが下側に傾くので、勢いのある原子は低くなった下の縁から素直にこぼれていく。軌道の上ではすべてが一緒に落ち続けていて、この傾きが無い。原子がうまく逃げず、蒸発冷却の効率が落ちてしまう。

重力から逃れるために宇宙まで来たのに、冷やす途中では重力が要った。チームは、磁場に傾きをつけて原子を一方向へ軽く押し、重力の代わりにわなを傾けた。ルビジウム原子は小さな磁石の性質を持つので、磁場の傾きで押せる。光のわなが主役の装置で、磁場はこの蒸発の段階を補う役目だけを担った。ScienceAlert によると、この時点で約2万個の原子が凝縮し、温度は3.1ナノケルビン（ピコの1000倍）になっていた。

ここからが無重力の出番になる。凝縮を、もっと幅の広い2つ目の光のわなに移し、閉じ込めをゆっくり弱めて雲をふくらませた。原子の勢いがさらに落ちたところで、わなを切って雲を放す。雲は7秒たっても見失わないほどゆっくり広がり、2つの方向から撮った写真で3方向の広がりを測って、9.7ピコケルビンという値が出た。

2001年にノーベル物理学賞を受けたマサチューセッツ工科大学のヴォルフガング・ケターレは、CGTN に、地上なら7秒の間に雲はおよそ250m落ちると話している。前の記録の2秒と比べても、観察できる時間は3倍を超えた。

長く見られる原子が、測れるものを増やす

記録そのものより大事なのは、雲を長く見ていられることだ。原子の波としての性質を使う「原子干渉計」は、原子の雲を2つに分けて別の道を通らせ、また重ねて、そのわずかな差を読む。観察できる時間が長いほど、小さな差まで拾える。種類の違う原子が重力で同じように落ちるかを確かめる実験は、アインシュタインの一般相対性理論の土台を試すことにつながる。共同筆頭の北京大学の Wei Xiong と Shengjie Jin は CGTN に、観察時間が延びるほど、弱い新しい現象を見つけられる見込みが高まると語っている。

論文は、この光のわなの装置が、レーザーで格子状のわなを作って物質のふるまいをまねる「量子シミュレーション」にも使えると書いている。ただ、今回の結果はまず「ここまで冷やして、ここまで長く見られた」という段階で、宇宙で干渉計や量子シミュレーションを走らせたわけではない。相当温度も雲の広がり方から出した値で、普通の意味の温度とは別物だ。地上では重力が邪魔をし、宇宙では重力が足りない。その両方を乗り越えたところから、次の実験が組み立てられていく。

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