将来の宇宙ミッションでは、量子技術を利用して地球上の水を追跡したり、月や他の惑星の組成を探ったり、神秘的な宇宙現象を調査する可能性があるという。
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国際宇宙ステーションに設置された初の施設であるNASAのCold Atom Labは、宇宙での量子科学の利用方法に革命を起こすための新たな一歩を踏み出した。科学チームのメンバーは、ラボの搭載ツールの1つを使用して宇宙ステーションの微妙な振動を測定した。宇宙の周囲環境の変化を検出するために極低温原子が使用されたのはこれが初めてだ。
8月13日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載されたこの研究は、宇宙空間で自由落下する原子の波のような性質を最も長く実証したとも報告している。
Cold Atom Labの科学チームは、重力、磁場、その他の力を正確に測定できる原子干渉計と呼ばれる量子ツールを使って測定した。地球上の科学者やエンジニアはこのツールを使って、重力の基本的な性質を研究し、航空機や船舶の航行を支援する技術を進歩させている。（携帯電話、トランジスタ、GPSは量子科学に基づく他の主要な技術のほんの一部だが、原子干渉計は使用されていない。）
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物理学者たちは、微小重力により測定時間が長くなり、機器の感度も高まることから、原子干渉計を宇宙で応用することに熱心に取り組んできたが、極めて高感度の機器は、人による支援なしには長期間機能させるには壊れやすいと考えられてきたという。地球から遠隔操作されるCold Atom Labは、それが可能であることを実証した。
南カリフォルニアにあるNASAジェット推進研究所のCold Atom Labのプロジェクト科学者ジェイソン・ウィリアムズ氏は、次のようにコメントする。
このマイルストーンに到達するのは非常に困難で、成功は必ずしも当然のものではありませんでした。これを実現するには、チームの献身と冒険心が必要でした。
精度の力
高精度で重力を測定できる宇宙ベースのセンサーには、幅広い用途が考えられる。たとえば、物質によって密度が異なり、重力に微妙な変化が生じるため、太陽系の惑星や衛星の構成を明らかにできる。
この種の測定は、地球上の水と氷の動きを追跡するために重力のわずかな変化を検出する、米国とドイツの共同研究であるGRACE-FO（重力回復および気候実験後続計画）によってすでに行われている。原子干渉計はさらなる精度と安定性を提供し、表面の質量変化についてより詳細な情報を明らかにする可能性がある。
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重力の正確な測定は、宇宙論の2つの大きな謎である暗黒物質と暗黒エネルギーの性質についての洞察も提供する可能性がある。暗黒物質は目に見えない物質であり、惑星、星、その他目に見えるすべてのものを構成する「通常の」物質よりも宇宙で5倍多く存在する。暗黒エネルギーは、宇宙の加速膨張の未知の原動力に付けられた名前だ。
Cold Atom Labの主任研究員で、この新しい研究の共著者でもあるバージニア大学のキャス・サケット教授は、次のようにコメントする。
原子干渉法は、アインシュタインの一般相対性理論を新たな方法で検証するのにも使えるかもしれない。これは宇宙の大規模構造を説明する基本理論であり、この理論には正しく理解されていない側面があることはわかっている。この技術は、そうしたギャップを埋め、私たちが住む現実をより完全に理解するのに役立つかもしれない。
ポータブルラボ
ミニ冷蔵庫ほどの大きさのCold Atom Labは、低地球軌道の微小重力環境に長期施設を設置することで量子科学を進歩させることを目標に、2018年に宇宙ステーションに打ち上げられた。Labでは、原子をほぼ絶対零度、つまり華氏マイナス459度(摂氏マイナス273度)まで冷却する。
この温度では、一部の原子がボーズ アインシュタイン凝縮、つまりすべての原子が本質的に同じ量子アイデンティティを共有する物質状態を形成できる。その結果、通常は微視的である原子の量子特性の一部が巨視的になり、研究しやすくなるという。
量子特性には、固体粒子のように振る舞うこともあれば、波のように振る舞うことも含まれる。科学者たちは、すべての物質の構成要素がどのようにしてこのような異なる物理的挙動の間を遷移できるのかを知らないが、その答えを探すために、Cold Atom Labで利用できるような量子技術を使用している。
微小重力下では、ボーズ・アインシュタイン凝縮体はより低温になり、より長く存在することができるため、科学者はボーズ・アインシュタイン凝縮体を研究する機会が増える。原子干渉計は、原子の量子的性質を利用して精密測定を可能にする施設内のいくつかのツールの1つだ。
原子は波のような性質を持っているため、1つの原子が物理的に別々の2つの経路を同時に進むことができる。重力やその他の力がこれらの波に作用している場合、科学者は波がどのように再結合して相互作用するかを観察することで、その影響を測定できる。
この研究の共著者である米国とドイツの科学者のコンソーシアムのCold Atom Lab主任研究員で、ニューヨーク州ロチェスター大学の教授であるニック・ビゲロー氏は、次のようにコメントする。
宇宙ベースの原子干渉計が、刺激的な新発見や日常生活に影響を与える素晴らしい量子技術につながり、私たちを量子の未来へと導いてくれることを期待しています。
ミッションの詳細
パサデナのカリフォルニア工科大学の一部門であるJPLは、ワシントン本部にあるNASA科学ミッション局の生物物理科学（BPS）部門が後援する Cold Atom Labを設計、構築した。
BPSは科学的発見の先駆者であり、宇宙環境を利用して地球上では不可能な調査を実施することで探査を可能にする。極限状況下での生物学的現象や物理的現象を研究することで、研究者は宇宙でのより遠くへの移動やより長い滞在に必要な基礎科学的知識を進歩させることができ、同時に地球上の生命にも利益をもたらすとしている。
