Couronnant plus de 30 années de travail, l’Agence spatiale européenne (ESA) enverra ce lundi un ensemble de deux horloges atomiques vers la Station spatiale internationale (ISS), avec pour objectif de mesurer le temps avec une précision extrême et de tester la théorie de la relativité.
Cette mission permettra aux scientifiques de « mesurer l’effet de l’altitude sur l’écoulement du temps », explique Didier Massonnet, responsable du projet PHARAO (Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite) au sein du Centre national d’études spatiales (CNES), à l’Agence France-Presse.
Depuis la théorie de la relativité générale formulée par Albert Einstein en 1915, il est établi que le temps ne s’écoule pas de manière uniforme partout : il ralentit à proximité d’un objet massif, jusqu’à s’arrêter à la limite d’un trou noir.
Sur Terre, le temps passe plus vite au sommet de la tour Eiffel qu’à sa base, mais cet « effet Einstein » reste infime. Il devient toutefois significatif à mesure que l’on s’éloigne dans l’espace.
Des systèmes comme le GPS ou Galileo doivent en tenir compte pour fournir des localisations précises. Les horloges atomiques situées à 20 000 km d’altitude avancent de 40 microsecondes par jour par rapport à celles restées au sol.
Le projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) vise à améliorer la mesure de ce « décalage gravitationnel » avec deux décimales supplémentaires de précision, atteignant une exactitude de l’ordre de « un sur un million », selon Massonnet.
Le système ACES, composé des deux horloges, sera lancé lundi depuis Cap Canaveral par une fusée Falcon 9 de la société SpaceX, en direction de l’ISS située à 400 kilomètres d’altitude.
PHARAO, au cœur du système
La première horloge, PHARAO, constitue le cœur battant du système. Dans un tube sous vide, des atomes de césium seront refroidis par laser à une température proche du zéro absolu (-273°C). Gelés et en apesanteur, ces atomes vibreront à une fréquence mesurable avec une précision supérieure à celle atteinte sur Terre.
La seconde qui défie le temps
Quel est le lien avec le temps ? La seconde, unité de mesure temporelle, était autrefois définie comme une fraction du mouvement de la Terre — 1/86400 du jour solaire moyen. Mais la rotation de la Terre n’est pas parfaitement régulière, contrairement à l’oscillation des atomes.
Depuis 1967, la seconde est officiellement définie comme 9 192 631 770 périodes de la radiation électromagnétique émise par un atome de césium 133 lors d’un changement d’état énergétique.
Associée à une seconde horloge atomique, un maser à hydrogène, l’horloge PHARAO offrira une stabilité telle qu’elle ne dérivera que d’une seconde tous les 300 millions d’années.
Simon Weingberg, responsable britannique du projet ACES à l’ESA, a déclaré lors d’une conférence de presse que « concevoir une horloge atomique, la placer en orbite, maintenir la référence de la seconde dans l’ISS et l’interconnecter avec les horloges terrestres s’est révélé être un défi technologique majeur ».
Trois décennies de développement
Ce projet ambitieux, entamé il y a 32 ans, a connu de nombreux défis : miniaturiser l’horloge atomique, l’adapter aux conditions de l’espace (là où le prototype d’origine occupait une pièce entière à l’Observatoire de Paris), et concevoir une liaison micro-ondes assez précise pour transmettre le temps de PHARAO à la Terre avec fiabilité.
Sur le sol, neuf stations réparties en Europe, aux États-Unis et au Japon compareront le temps mesuré par PHARAO à celui de leurs propres horloges.
Selon Philippe Laurent, responsable des opérations PHARAO-ACES à l’Observatoire de Paris, « les écarts seront analysés pour vérifier s’ils sont conformes aux prédictions de la relativité. »
Et si ce n’est pas le cas ? « Cela ouvrirait une nouvelle fenêtre sur le monde de la physique. »
Qui devrait alors réviser les équations pour les adapter aux observations ?
Cela pourrait constituer une avancée vers le rêve ultime des physiciens : réconcilier la relativité générale, qui décrit le fonctionnement de l’univers à grande échelle, avec la physique quantique, qui régit l’infiniment petit. Deux théories aussi brillantes qu’incompatibles… pour l’instant.
