中国宇宙ステーション「天宮」で原子が9.7ピコケルビンに、記録上最も低い温度

中国の宇宙ステーション「天宮（Tiangong）」に搭載されたルビジウム原子の雲が、絶対零度より1兆分の10度未満という、原子ガスとしてはこれまでに報告された中で最も低い温度に冷却された。これは、地上または軌道上でこれまでに達成された最高の結果よりも、およそ4倍低い温度である。

この記録の重要性は、その数値そのものよりも、それがもたらすものにある。この極低温では、原子の拡散が非常に遅くなるため、研究チームは原子雲を解放した後、7秒間にわたって観測することができた。これは、地上の実験室では到達できない精度で、重力や量子的挙動、さらには暗黒物質を検証するのに十分な時間である。

原子はボース＝アインシュタイン凝縮体（Bose-Einstein condensate）を形成した。これは、数千もの原子が個性を失い、単一の量子波として振る舞う物質の状態である。北京大学（Peking University）、上海光学精密機械研究所（Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics）、中国科学院宇宙利用技術工学センター（Chinese Academy of Sciences’ Technology and Engineering Center for Space Utilization）の研究者らが、宇宙ステーションの実験室モジュール「夢天（Mengtian）」内の低温原子物理ラックでこの実験を行い、その結果を科学雑誌『Science』に報告した。

原子雲は20,000個のルビジウム87原子で構成されていた。その等価温度は9.7ピコケルビンで、誤差範囲は7.0から12.9ピコケルビンであった。この種のシステムにおける従来の最低記録は38ピコケルビンであり、国際宇宙ステーション（ISS）にあるNASAの低温原子実験室（Cold Atom Lab）は52ピコケルビンを達成していた。

10トンの実験室が宇宙ステーションのラックに凝縮された方法

原子を冷却するということは、原子の動きを遅くすることを意味する。研究チームは、交差させたレーザー光線（光双極子トラップと呼ばれる配置）でルビジウム原子を捕捉し、レーザー出力を段階的に下げることで、最もエネルギーの高い原子が逃げられるようにした。これは蒸発冷却であり、最も熱い分子が蒸気となって去ることでコーヒーが冷めるのと同じ原理である。

微小重力下では、原子がトラップの底（脱出経路がある場所）に沈まなくなるため、この方法はうまく機能しない。研究者らは、弱い磁場勾配を加えて蒸発を制御し、凝縮体を得た。最終段階として、トラップを急激に非断熱膨張させることで、原子をさらに減速させた。

これまでのこの種の記録はすべて、アトムチップ上に構築された磁気トラップを使用していた。レーザーは軌道上での運用が難しいが、磁気干渉の影響を受けにくく、光学アクセスのためのスペースが広く、磁場をまったく無視する原子も保持できる。「工学的な課題は、厳格な航空宇宙要件の下で、複数の最先端技術を集中させることでした」と、上海光学精密機械研究所の研究者である李唐（Li Tang）氏は新華社通信（Xinhua）の報道に語っている。

地上バージョンの実験装置は約20立方メートルの容積と約10トンの重量がある。一方、飛行用ラックは0.7立方メートル、0.5トンで、超高真空システム、高出力ファイバーレーザー、周波数安定化光学系を、厳しい電力制限下で自動運転する。

深宇宙よりも数千億倍も低い温度

絶対零度（マイナス273.15度）は、原子の動きが完全に停止する点である。しかし、空の宇宙はそれほど冷たくない。ビッグバンのかすかな残光（宇宙マイクロ波背景放射）により、約2.7ケルビンに保たれている。ケルビンスケールで測ると、「天宮」の原子雲はその約2800億倍も低い温度だったことになる。

従来の最高記録である38ピコケルビンは、ドイツのチームがブレーメン落下塔（Bremen drop tower）でアトムチップ実験を落下させ、数秒間の無重力状態を得ることで達成した。落下塔は高さに限界がある。一方、軌道上の宇宙ステーションは永久自由落下状態にあるため、原子がコヒーレントを保つ限り実験を続けることができる。

観測時間の差はさらに顕著である。研究チームによると、地上実験では解放された原子雲を約0.05秒間追跡できるが、国際宇宙ステーションでは約1秒、中国の宇宙ステーションでは7秒に達する。「地球上では、約250メートル落下することになります。つまり、高さ250メートルの真空チャンバーがない限り、実際に地面に激突してしまうのです」と、ボース＝アインシュタイン凝縮体の生成でノーベル賞を共同受賞したMITの物理学者、ヴォルフガング・ケターレ（Wolfgang Ketterle）氏は中国のCGTNに語っている。

等価温度が意味するものと、意味しないもの

9.7ピコケルビンというのは温度計の読み取り値ではない。研究者らは、原子雲が解放された後にどれだけゆっくりと拡散するかからこれを推測し、その膨張速度を、ガスがその速度で動くために必要な温度に換算している。この数値は原子そのもののみを表しており、研究者らは装置やその周辺環境がこの温度に近づくことは決してなかったと指摘している。

誤差範囲は広く、約30パーセントの幅があり、この結果は単一の施設からのものであり、まだ独立して再現されていない。また、過去の記録との比較は手法が混在している。落下塔、磁気チップ、そして今回のレーザートラップは、それぞれ異なる捕捉方法と最終冷却方法で数値を達成しているため、その差はあくまで目安であり、正確な順位付けではない。

原子雲のサイズも小さい。20,000個の原子はきれいな凝縮体を得るには十分だが、精密機器はより多くのサンプルから感度を得る。このシステムが、より多くの原子と長時間のコヒーレンスを日常的に提供できるかどうかが、未解決の工学的課題である。

記録よりも7秒が重要な理由

原子干渉計は、各原子の量子波を2つの経路に分割し、再結合させることで、加速度の微小な差を測定可能な信号に変換する。その感度は、原子が内部に留まる時間の2乗に比例して向上する。「原子干渉計は、極低温アンサンブル中の多数の原子と長い観測時間を提供する源から大きな恩恵を受けます」と、ライプニッツ・ハノーバー大学（Leibniz University Hannover）の物理学者エルンスト・ラゼル（Ernst Rasel）氏はCGTNが伝えたコメントの中で述べている。

このような機器は、軌道上から地球の重力場をマッピングし、異なる組成の物体が本当に同じ速度で落下するかどうか（アインシュタインの相対性理論の基盤）を検証することができる。レーザートラップは、光格子（optical lattices）に成形することもできる。これは、原子を結晶のように保持する光の格子であり、物理学者が直接研究するのが難しい物質をシミュレーションすることを可能にする。「観測時間が長ければ長いほど、新しく、より微弱な物理現象を発見できる可能性が高まります」と、論文の共同第一著者である北京大学の熊煒（Xiong Wei）氏は新華社通信の報道に語っている。

史上最低温度記録に関するよくある質問

これまでに記録された最も低い温度は？

原子ガスとしては、これまでに報告された最も低い等価温度は9.7ピコケルビンで、中国の宇宙ステーション「天宮」で達成されました。これは絶対零度より1兆分の9.7度高い温度です。以前の記録は38ピコケルビンでした。

ボース＝アインシュタイン凝縮体とは？

特定の原子のガスを絶対零度近くまで冷却したときに形成される物質の状態です。原子が同一の量子状態に落ち込み、一つの波として振る舞うようになり、量子効果が写真に撮れるほど大きなスケールで可視化されます。

低温原子実験はなぜ宇宙での方がうまくいくのか？

地球上では、重力が弱いトラップから原子を引き離し、解放された原子雲はほんの一瞬で落下します。軌道上では原子が浮遊するため、トラップをより弱く（穏やかに）することができ、それによって原子はさらに冷却され、原子雲を数秒間にわたって観測することができます。

絶対零度に到達することは可能ですか？

いいえ。熱力学の法則は正確にゼロケルビンに達することを禁じているため、実験は限りなく近づくことしかできません。一段階下げるごとに難しくなり、38ピコケルビンから10ピコケルビン未満への移行が大きな飛躍とみなされるのはそのためです。

外部チームにも開放されている軌道上実験室

低温原子ラックは、最初の実現可能性調査が2011年に始まったプロジェクトを経て、2022年に「夢天」モジュールと共に打ち上げられ、この記録は2026年11月5日に『Science』誌オンラインで発表された。ラゼル氏は、次のステップとして、原子を数秒間コヒーレントに分割した状態に保つ干渉計の軌道上設置を挙げている。有人宇宙計画の宇宙応用システムのチーフデザイナーである呂従民（Lyu Congmin）氏は、このラックは、そこで独自の実験を行いたい世界中の科学者に開放されていると述べている。

参考文献：Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

タグ: 物理学, 量子物理学, ボース＝アインシュタイン凝縮, 中国科学院, 夢天, 天宮