Un "tic-tac" atomique dans l'espace pour tester l'effet Einstein

La fusée Falcon 9 de Space X, embarquant ACES, a décollé lundi à 10h15 (suisses) depuis Cap Canaveral en Floride. Direction l'ISS, à 400 km d'altitude, où un bras robotique le positionnera à l'extérieur de la station sur le module Columbus. Il y restera 30 mois pour collecter des données des horloges.

Présent dans "toutes les équations de physique", le temps est essentiel au fonctionnement des ordinateurs ou encore des systèmes de géolocalisation par satellite, a rappelé Simon Weinberg, chef du projet ACES à l'ESA, en amont du lancement.

Le bouleversement d'Einstein

Or, en 1915, Albert Einstein a bouleversé notre vision du temps, jusque-là considéré comme universel et absolu. Dans sa théorie de la relativité générale, il a prédit que le temps n'était pas le même partout et ralentissait à proximité d'un objet massif.

Sur Terre, le temps passe ainsi plus vite au sommet de la Tour Eiffel qu'à sa base, mais cet "effet Einstein" est infinitésimal. Il devient en revanche perceptible quand on s'éloigne dans l'espace.

En orbite à 20'000 km d'altitude, les horloges atomiques des satellites de géolocalisation avancent par exemple de 40 microsecondes chaque jour par rapport à celles positionnées sur Terre.

L'objectif de la mission européenne est d'améliorer la mesure de ce "décalage gravitationnel" de deux décimales, pour atteindre une précision d'un millionième, grâce aux deux horloges atomiques de l'ensemble ACES.

Instrument suisse

La première, l'instrument SHM (Space Hydrogen Maser), a été fabriqué en Suisse par Safran Time Technologies à Neuchâtel. Il s'agit d'un maser à hydrogène actif, un dispositif qui utilise des atomes d'hydrogène pour donner l'heure, a indiqué le Secrétariat d'Etat à la formation, à la recherche et à l'innovation (SEFRI), dont la cheffe Martina Hirayama devait assister au lanceme.

Un maser est un dispositif permettant d'émettre un faisceau cohérent de micro-ondes, utilisé notamment dans le but d'obtenir la fréquence de référence dans les horloges atomiques. Son fonctionnement ressemble à celui des masers passifs utilisés à bord des satellites Galileo, mais en dix fois plus stable.

Le signal de l'horloge ACES combinera la stabilité de SHM sur une période d'une heure avec la stabilité et la précision à long terme de la seconde horloge, PHARAO, conçue par le Centre national d'études spatiales français (CNES). Ensemble, ces deux horloges permettent de donner l'heure avec une précision d'une seconde sur 300 millions d'années.

Proche du zéro absolu

PHARAO est un tube à ultravide dans lequel des atomes seront refroidis par laser à une température proche du zéro absolu (-273°C). Immobilisés par le froid et en situation d'impesanteur, leurs vibrations à une fréquence particulière seront comptées avec davantage de précision que sur Terre.

Depuis 1967 en effet, la seconde n'est plus définie en fonction de la rotation terrestre, mais comme le "tic-tac" régulier d'un atome. Elle correspond à 9'192'631'770 périodes d'une onde électromagnétique émise par un atome de Césium 133 qui change d'état d'énergie.

PHARAO fonctionnera comme un "diapason" reproduisant la définition de la seconde, a expliqué à la presse Philippe Laurent, responsable des activités ACES/PHARAO à l'Observatoire de Paris. Au final, elle ne dérivera que d'une seconde tous les 300 millions d'années. Une prouesse technologique qui a demandé plus de 30 ans de travail, émaillés de nombreux retards et difficultés.

Des horloges optiques - qui utilisent de plus hautes fréquences et sont 100 fois plus précises - ont certes entretemps vu le jour sur Terre. Si cette nouvelle génération va "surpasser les horloges atomiques dans le futur", cela reste une technologie "encore relativement jeune" et "aucune n'a été mis en orbite", a souligné M. Weinberg, selon qui ACES est "unique".

Son signal sera transmis au sol par un lien micro-ondes. Sur Terre, neuf terminaux (en Europe, en Grande-Bretagne, au Japon et aux Etats-Unis) vont le comparer au temps mesuré par leurs propres horloges.

"Nouvelle fenêtre"

Les différences vont être analysées pour "déterminer si le résultat est en accord avec les prédictions de la théorie de la relativité", détaille M. Laurent. Dans le cas inverse, "une nouvelle fenêtre s'ouvrira dans le monde de la physique". Qui devra effectuer des ajustements pour faire coïncider les équations d'Einstein avec les observations.

Et peut-être avancer dans la quête du Graal des physiciens: réconcilier la relativité générale qui explique le fonctionnement de l'Univers et la physique quantique qui régit l'infiniment petit. Deux théories qui fonctionnement remarquablement bien, mais sont jusqu'à présent incompatibles.