Où est l'endroit le plus froid de l'Univers ?

Depuis des années, les scientifiques tentent de s’approcher du zéro absolu, ou -273,15 degrés Celsius, de diverses manières. Bien que nous fassions l’expérience de la température de manières très différentes, il s’agit fondamentalement d’une mesure du mouvement. Le mouvement, ou une sorte de vibration, des molécules et des atomes produit de la chaleur. Ainsi, le froid est l’absence de mouvement et de chaleur. L’immobilité totale des molécules correspond à zéro degré Celsius.

L’endroit le plus froid de l’Univers

L’endroit le plus froid du cosmos se trouve à 5 000 années-lumière de notre Système solaire. Il s’agit d’une nébuleuse en forme de boomerang qui est encore plus froide que le rayonnement de fond micro-ondes, à peine au-dessus du zéro absolu. Ces nuages de poussière et de gaz sont parmi les régions les plus froides de l’Univers.

Il s’agit d’une nébuleuse planétaire créée par une étoile géante rouge proche de la mort. Il s’agissait d’une étoile semblable au Soleil qui avait éjecté ses couches externes dans l’espace pendant un certain temps avant d’atteindre ce stade.

De façon inattendue, elle perd de la masse 100 fois plus vite que les autres étoiles au même stade d’évolution. Elle perd de la masse environ 100 milliards de fois plus vite que le Soleil. Ce rythme est si rapide que l’étoile au centre de la nébuleuse du Boomerang a perdu 1,5 fois la masse du Soleil en seulement 1 500 ans.

Une quantité importante d’énergie est libérée lorsque le gaz est éjecté à la vitesse très élevée de 164 km/s. L’effet final est une zone extrêmement froide, presque aussi froide que le zéro absolu. La température interne de la nébuleuse du Boomerang est de -272 °C. Le zéro absolu est à -273,15 °C. Objectivement, c’est trois fois plus froid que la température la plus basse enregistrée sur Terre.

De plus, la température de la nébuleuse du Boomerang est excessivement basse. Elle est beaucoup plus froide que le rayonnement de fond micro-ondes. Environ 377 000 ans après le Big Bang, les premiers rayons lumineux de l’Univers ont été émis, et ce rayonnement représente sa luminosité.

Les caractéristiques de la nébuleuse du Boomerang

Le rayonnement de fond micro-ondes a très peu d’effet thermique sur la nébuleuse du Boomerang. C’est ce qui a été constaté lors de sa découverte en 1980 par Keith Taylor et Mike Carrot.

L’existence de parties extrêmement froides de l’Univers a été prédite par l’astronome Raghvendra Sahai dans une étude publiée à peine dix ans plus tard, en 1990. Selon ce mécanisme hypothétique, la température diminue parce que le vent stellaire se dilate rapidement en s’éloignant de l’étoile.

En d’autres termes, il s’agit d’une sorte de réfrigérateur à l’échelle cosmique. Dans cette optique, Sahai a personnellement étudié la nébuleuse du Boomerang en 1995 pour tester sa théorie. La température de la nébuleuse y a été mesurée, ce qui en fait l’endroit le plus froid de l’Univers.

Grâce au radiotélescope ALMA, ces mesures ont été confirmées en 2013. Sahai lui-même a publié une nouvelle étude en 2017 qui examine ce qui se passe à l’intérieur de la nébuleuse.

Le gaz éjecté de l’étoile est rapidement accéléré, ce qui explique pourquoi la température est si basse. Ce qui a provoqué cette éruption si rapide est moins certain. A l’origine, on pensait qu’une étoile géante rouge pouvait être impliquée. Cette étoile n’est pas la seule. En fait, elle va former un système binaire avec une deuxième étoile moins massive, qui sera un facteur clé dans l’éjection de gaz fortement accélérée.

Ce processus a fait de la nébuleuse du Boomerang, du moins dans les régions actuellement connues, l’endroit naturel le plus froid de l’Univers.

Il existe une matière encore plus froide que la nébuleuse

Un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu est égal à cent picokelvins, où théoriquement toute activité thermique atomique cesse. Les concepts habituels de solide, liquide et gaz ne s’appliquent plus à des températures aussi basses. De nouvelles formes de matière, essentiellement quantiques, sont créées lorsque les atomes interagissent juste au-dessus du seuil d’énergie zéro. Le condensat de Bose-Einstein (BEC) est ce qu’on appelle le cinquième état de la matière (les quatre autres étant les trois états « classiques » : solide, liquide et gazeux, et plasma).

Selon notre compréhension actuelle de la physique, atteindre ce point de zéro absolu est aussi impossible que d’atteindre la vitesse de la lumière. Cependant, le point le plus proche que nous ayons atteint est de 38 milliardièmes de degré (38 picokelvins), soit -273,1 °C.

En 1995, en utilisant du rubidium, cette forme de matière a été atteinte pour la première fois aux États-Unis. Peu après, toujours aux États-Unis, une autre équipe a réussi à la produire à partir du sodium.

Pour leur découverte indépendante de ces condensats, qu’Albert Einstein et Satyendra Bose avaient prédits au début du XXe siècle, Carl Wieman de l’université du Colorado, Eric Cornell du National Institute of Standards and Technology et Wolfgang Ketterle du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont partagé le prix Nobel 2001.

L’expérience n’a maintenu la température de 38 picokelvins que pendant une courte période, mais les conditions de microgravité peuvent être utilisées pour prolonger cette durée, peut-être jusqu’à 17 secondes.

Le meilleur endroit pour mener cette recherche est la station spatiale. En microgravité, les chercheurs peuvent refroidir des matériaux à des températures beaucoup plus basses que celles que l’on peut atteindre sur Terre. Pour aller plus loin, découvrez les 10 endroits naturels les plus froids sur Terre.

Par Eric Rafidiarimanana, le 20 février 2023