宇宙ステーションで原子を「記録的な低温」まで冷やすことに成功

地球のまわりを回る中国の宇宙ステーション「天宮」の中で、ルビジウムという金属の原子が冷やされました。

狙いは、原子をとことん冷やして、その動きを小さくすることです。

物の温度には下の限界があります。それが「絶対零度」で、マイナス273.15度にあたります。

科学者たちは、この限界にどこまで近づけるかの記録を少しずつ塗り替えてきました。

とはいえ、冷やすだけなら地上の実験室でもできそうに思えます。

なぜわざわざ宇宙まで原子を運んだのでしょうか？

そして宇宙の原子は、いったいどこまで冷えたのでしょうか？

研究の詳細は、2026年11月5日付で学術誌『Science』に掲載されました。

原子の「温度」は動きの遅さで決まる

原子にとっての「温度」とは何なのかを、まず見ておきましょう。

原子や分子の世界では、温度は動きと強く結びついています。

身の回りの空気の分子も、寒いときほどゆっくり動いています。

つまり、原子を冷やすとは、原子の動きを遅くすることなのです。

では、止まりかけた原子の温度は、どうやって決めるのでしょうか？

研究者は、閉じ込めていた原子の群れを放し、自由に広がらせます。

そして、群れの広がり方が遅いほど、原子は冷たいと考えます。

こうして広がり方から決めた温度は「等価温度」と呼ばれます。

原子をとても低い温度まで冷やすと、ばらばらだった原子が全員そろって同じ量子の状態になります。

まるで1つのかたまりのようにふるまう、この特別な状態を「ボース・アインシュタイン凝縮」と呼びます。

ところが地上では、ここで重力がじゃまをします。

重力に引っぱられて原子の雲がたるみ、冷やす効き目が落ちてしまうのです。

そこで、重さを感じない状態で実験する工夫が重ねられてきました。

地上では、原子を塔の中で落とし、落ちている間に無重力に近い状態をつくる実験があります。

この落下塔の実験で出た38ピコケルビンが、これまでの最低記録でした。

ピコケルビンは、絶対零度を0とする温度の目盛り（ケルビン）の、1兆分の1です。

ただし落下塔では、実験できるのは原子が落ちている間だけです。

この記録で、原子の雲を自由に広げられた時間は2秒でした。

国際宇宙ステーションでも同じ状態の原子がつくられ、52ピコケルビンまで下がっていました。

宇宙ステーションの中は落ち続けているのと同じで、物は重さをほとんど感じません（微小重力）。

しかも地球を回り続けるので、落下塔のように落ちる時間が尽きる心配がないのです。

落ちる時間が尽きない宇宙で、原子の雲を何秒広げられたでしょうか？

今回、研究チームは天宮の中で、約2万個のルビジウム原子をレーザー光の「わな」に閉じ込めました。

光の力で原子を閉じ込めるこの仕組みは、光双極子トラップと呼ばれます。

外から光を当てて原子を扱いやすいのが、この光のわなの利点です。

さらに、磁石の性質をもつ原子にも、もたない原子にも使えます。

一方、これまでの38ピコケルビンの記録は、磁石の力で原子を閉じ込める装置で出されたものでした。

光のわなを無重力に近い環境で使い、量子の性質が強く出るほど原子を冷やした例は、これまでありませんでした。

研究チームは原子を冷やし、2万個をそろって1つの状態にまとめました。

そのうえでわなを外し、原子の雲を7秒間、自由に広がらせました。

落下塔の記録の2秒と比べると、3.5倍の長さです。

その広がりの遅さから求めた等価温度は、約9.7ピコケルビンでした。

これは絶対零度より、約1000億分の1ケルビン(1兆分の10ケルビンほど)だけ高い温度です。

落下塔の38ピコケルビンと比べると、およそ4分の1にあたります。

国際宇宙ステーションの52ピコケルビンと比べれば、およそ5分の1です。

研究チームによると、これはこうした冷たい原子の実験で報告された中で、最も低い等価温度です。

記録の幅と、この先に広がる実験

ただし、9.7ピコケルビンという値には、ある程度の幅があります。

論文の値は、低い側で約7.0ピコケルビン、高い側で約12.9ピコケルビンまでの誤差を含みます。

それでも、幅の上の端で比べても、これまでの38ピコケルビンを大きく下回っています。

また、9.7ピコケルビンという値の求め方にも、気をつけたい点があります。

それは、この値が、原子の雲が広がる遅さから求めた「等価温度」だという点です。

では、ここまで冷えた原子は何の役に立つのでしょうか？

冷たい原子を使うと、ふだんは見られない物質の状態や、まだ謎の多い物理を調べられます。

たとえば、重さの違う物が真空中では同じ速さで落ちるという考え（等価原理）を確かめる実験です。

こうした基礎物理の検証では、低い温度と、原子を長く自由に広がらせる時間が大切だとされています。

原子の波の性質を使う精密な測定（原子干渉計）でも、同じことが言えます。

研究チームは、今回の記録が、光のわなを使った新しい宇宙実験につながる可能性があるとしています。

その分野として挙げているのは、量子シミュレーションや精密な測定です。

どんな実験が実際に宇宙で行われるかは、これからの話です。

地上では重力でたるんでしまう原子の雲も、宇宙では7秒をかけて、ゆっくりと静かに広がっていきました。

地球を回るステーションの中で、2万個の原子が1つにまとまり、これまでで最も冷たい原子の雲になっていたのです。

参考文献

Record-low temperature created on China’s space station (Science News)
https://www.sciencenews.org/article/lowest-temperature-china-space-station

元論文

Quantum gases below 10 picokelvin in space
https://doi.org/10.1126/science.aea5324

ライター

山下 浩介: むずかしい研究を、なるべく分かりやすく伝えたい。専門の言葉はふだんの言葉に置きかえて、身近な例で例える。それで「わかった」「楽しかった」と言ってもらえたら嬉しいです。 好きなのは、通学路や台所や日常の中にある科学。眠っているあいだに記憶が整理される話や、虫の鳴き方に意味がある話のように、読み終わったあとに誰かへ話したくなる研究を探しています。

編集者

ナゾロジー 編集部