중국 우주정거장 톈궁, 원자를 9.7피코켈빈까지 식혀 역대 최저 온도 기록

중국 톈궁(天宮) 우주정거장에서 루비듐 원자 구름이 절대온도보다 1조분의 10도 미만으로 냉각됐다. 이는 원자 기체에 대해 보고된 온도 중 가장 낮은 기록이다. 지구상이나 궤도상에서 이전에 달성된 최고 결과보다 약 4배 더 차갑다.

이 기록이 중요한 것은 숫자 자체보다는 그 숫자가 가능하게 하는 것 때문이다. 그 극저온에서는 원자들이 서로 너무 느리게 떨어져 나가 팀이 구름을 놓아준 후 7초 동안 관찰할 수 있었는데, 이는 어떤 지상 실험실도 도달할 수 없는 정밀도로 중력, 양자 거동, 그리고 아마도 암흑물질을 시험하기에 충분한 시간이다.

원자들은 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)을 형성했는데, 이는 수천 개의 원자가 개성을 잃고 하나의 양자 파동처럼 행동하는 물질 상태다. 베이징대학, 상하이 광학정밀기계연구소, 중국과학원 우주활용기술공정센터의 연구진이 톈궁의 멍톈(夢天) 실험실 모듈에 있는 냉원자 물리 랙에서 이 실험을 수행했으며, 그 결과를 저널 사이언스(Science)에 발표했다.

구름은 2만 개의 루비듐-87 원자를 담고 있었다. 이에 상응하는 온도는 9.7피코켈빈(1피코켈빈은 1조분의 1켈빈)이었으며, 불확실성 범위는 7.0에서 12.9피코켈빈 사이다. 이러한 시스템에 대한 이전 최저치는 38피코켈빈이었고, 국제우주정거장(ISS)에 있는 NASA의 냉원자 연구실(Cold Atom Lab)은 52피코켈빈에 도달한 바 있다.

10톤짜리 실험실을 우주정거장 랙에 쑤셔 넣는 방법

원자를 냉각한다는 것은 원자를 느리게 만드는 것을 의미한다. 연구팀은 교차된 레이저 빔(광학 쌍극자 트랩)으로 루비듐을 가둔 후, 레이저 출력을 단계적으로 낮춰 가장 에너지가 높은 원자들이 빠져나가도록 했다. 이것은 증발 냉각(evaporative cooling)으로, 가장 뜨거운 분자가 증기로 빠져나갈 때 커피 한 잔이 식는 것과 같은 원리다.

미세중력 환경에서는 이 방법이 덜 효과적인데, 원자들이 더 이상 탈출구가 있는 트랩 바닥으로 가라앉지 않기 때문이다. 연구진은 증발을 유도하고 응축물을 얻기 위해 약한 자기 구배(magnetic gradient)를 추가했다. 마지막 단계에서는 트랩의 급격한 비단열 팽창(non-adiabatic expansion)을 통해 원자를 더욱 느리게 만들었다.

이런 종류의 다른 모든 기록들은 원자 칩(atom chip)에 구축된 자기 트랩을 사용했다. 레이저는 궤도에서 작동하기 더 까다롭지만, 자기 간섭에 덜 민감하고 광학적 접근을 위한 공간이 더 넓으며 자기장을 완전히 무시하는 원자도 가둘 수 있다. “엄격한 항공우주 요구 조건 하에서 여러 최첨단 기술을 집약하는 것이 공학적 도전 과제였습니다,”라고 신화통신에 따르면 상하이 연구소의 리탕(李唐) 연구원이 말했다.

이 실험의 지상 버전은 약 20입방미터의 공간을 차지하고 무게가 약 10톤이다. 비행용 랙은 0.7입방미터와 0.5톤을 차지하며, 초고진공 시스템, 고출력 광섬유 레이저, 주파수 안정화 광학 장치가 엄격한 전력 제한 하에 자동으로 작동한다.

심우주보다 수천억 배 더 차갑다

절대온도(영하 273.15도)는 원자 운동이 완전히 멈추는 지점이다. 빈 공간조차 그렇게 차갑지 않다. 빅뱅의 희미한 잔광이 우주 공간을 절대온도보다 약 2.7도 위로 유지한다. 켈빈 눈금으로 측정할 때, 톈궁의 구름은 그보다 약 2800억 배 더 차가웠다.

이전 최고 기록인 38피코켈빈은 독일 팀이 브레멘 낙하탑(Bremen drop tower)에서 원자 칩 실험을 떨어뜨려 몇 초간의 무중력 상태를 얻으면서 나왔다. 낙하탑은 높이의 한계가 있다. 반면 궤도 정거장은 영구 자유낙하 상태이므로 원자가 결맞음(coherence)을 유지하는 한 실험을 계속할 수 있다.

관찰 시간은 격차가 가장 크게 벌어지는 부분이다. 지상 실험은 방출된 구름을 시야에서 사라지기 전 약 0.05초 동안만 추적할 수 있고, 국제우주정거장은 약 1초를 관리하며, 중국 우주정거장은 팀에 따르면 이제 7초에 도달한다. “지구에서는 약 250미터 아래로 떨어지므로, 250미터 높이의 진공 챔버가 없으면 실제로 땅에 추락할 것입니다,”라고 보스-아인슈타인 응축을 발견해 노벨상을 공동 수상한 MIT 물리학자 볼프강 케털레(Wolfgang Ketterle)가 중국 CGTN과의 인터뷰에서 말했다.

등가 온도가 의미하는 것과 의미하지 않는 것

9.7피코켈빈은 온도계 수치가 아니다. 연구진은 방출 후 구름이 퍼져나가는 속도에서 이를 추론하며, 그 팽창 속도를 기체가 그렇게 느리게 움직이는 데 필요한 온도로 변환한다. 이 수치는 원자 자체만을 설명한다. 연구진은 장비와 그 주변 환경이 그 온도에 근접한 적이 없다고 지적한다.

오차 범위는 약 30%로 넓으며, 결과는 단일 시설에서 나온 것이고 아직 독립적으로 재현되지 않았다. 이전 기록과의 비교도 방법이 혼재되어 있다. 낙하탑, 자기 칩, 그리고 이번 레이저 트랩은 각기 다른 트래핑 및 최종 냉각 방법을 통해 수치에 도달했으므로, 그 격차는 정확한 순위라기보다는 참고 지표에 가깝다.

구름의 크기도 작다. 2만 개의 원자는 깨끗한 응축물을 만들기에 충분하지만, 정밀 기기는 더 큰 샘플에서 민감도를 얻는다. 이 시스템이 더 많은 원자와 긴 결맞음 시간을 일상적으로 제공할 수 있을지가 열린 공학적 질문이다.

기록보다 중요한 7초의 의미

원자 간섭계(atom interferometer)는 각 원자의 양자 파동을 두 갈래로 나누었다가 다시 합쳐서 가속도의 미세한 차이를 측정 가능한 신호로 바꾼다. 그 민감도는 원자가 그 안에 머무는 시간의 제곱에 비례하여 증가한다. “원자 간섭계는 초저온 앙상블과 긴 관찰 시간을 제공하는 많은 수의 원자 공급원으로부터 큰 이점을 얻습니다,”라고 라이프니츠 하노버 대학의 물리학자 에른스트 라젤(Ernst Rasel)이 CGTN을 통해 전한 논평에서 말했다.

이러한 장비는 궤도에서 지구의 중력장을 매핑하고, 아인슈타인의 상대성 이론의 초석인 서로 다른 구성의 물체가 실제로 동일한 속도로 떨어지는지 여부를 시험할 수 있다. 레이저 트랩은 또한 광격자(optical lattice)로 형성될 수 있는데, 이는 결정처럼 원자를 가두고 물리학자들이 직접 연구하기 어려운 물질을 시뮬레이션할 수 있게 해주는 빛의 격자다. “관찰 시간이 길수록 새롭고 더 희미한 물리 현상을 발견할 가능성이 높아집니다,”라고 논문의 공동 제1저자인 베이징대학의 슝웨이(熊煒)가 신화통신에 말했다.

가장 낮은 온도 기록에 관한 일반적인 질문들

지금까지 기록된 가장 낮은 온도는 무엇인가?

원자 기체의 경우, 지금까지 보고된 가장 낮은 등가 온도는 중국 톈궁 우주정거장에서 달성된 9.7피코켈빈이다. 이는 절대온도보다 1조분의 9.7도 높은 수치다. 이전 기록은 38피코켈빈이었다.

보스-아인슈타인 응축이란 무엇인가?

특정 원자들의 기체가 절대온도에 가깝게 냉각될 때 형성되는 물질 상태다. 원자들은 동일한 양자 상태로 떨어져 하나의 파동처럼 행동하며, 이는 사진으로 찍을 수 있을 정도로 큰 규모에서 양자 효과를 볼 수 있게 한다.

왜 냉원자 실험이 우주에서 더 잘 작동하는가?

지구에서는 중력이 약한 트랩에서 원자를 끌어내고 방출된 구름이 1초 미만 안에 떨어지게 만든다. 궤도에서는 원자가 떠 있기 때문에 트랩을 더 약하게 만들어 더 낮은 온도로 냉각할 수 있고, 구름을 몇 초 동안 관찰할 수 있다.

어떤 것이 절대온도에 도달할 수 있는가?

아니다. 열역학 법칙은 정확히 0켈빈에 도달하는 것을 금지하므로, 실험은 점점 더 가까이 다가갈 수만 있다. 한 단계 내려갈 때마다 더 어려워지며, 이것이 38피코켈빈에서 10피코켈빈 미만으로 가는 것이 큰 도약으로 간주되는 이유다.

외부 팀에 개방된 궤도 실험실

냉원자 랙은 2011년에 시작된 프로젝트의 첫 타당성 연구 이후 2022년 멍톈 모듈과 함께 발사되었으며, 이 기록은 2026년 11월 5일 사이언스에 온라인 게재되었다. 라젤은 다음 단계로 원자를 몇 초 동안 결맞게 분할 상태로 유지하는 궤도상의 간섭계를 꼽았다. 중국 유인우주프로그램 우주응용시스템의 총설계사 류충민(呂從民)은 이 랙이 자체 실험을 수행하고자 하는 전 세계 과학자들에게 열려 있다고 말했다.

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

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