L’horloge atomique la plus précise de la NASA sera testée lors d’une mission vers Vénus

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Des techniciens montent l'horloge atomique la plus précise de la NASA. | General Atomics Electromagnetic Systems

Les horloges atomiques, extrêmement précises, sont notamment utilisées pour des applications telles que les systèmes GPS, nécessitant des calculs très précis des distances en se basant sur le temps de trajet des ondes émises et reçues par les satellites. La NASA, qui a récemment conçu son horloge atomique la plus précise, s’apprête à la tester dans le cadre d’une mission vers Vénus. L’horloge, la première à être utilisée dans une technologie de type GPS destinée à l’espace lointain, est en ce moment en phase de test en orbite autour de la Terre.

Les horloges atomiques fonctionnent en mesurant le rayonnement émis par les électrons lorsqu’ils passent d’une orbite inférieure à une orbite supérieure autour des atomes. Elles sont actuellement utilisées dans les engins spatiaux, mais les atomes peuvent entrer en collision avec les parois du vaisseau qui les contient, ce qui affecte la précision.

L’horloge atomique de l’espace lointain (abrégée DSAC) de la NASA, 25 fois plus précise que les horloges atomiques spatiales existantes, résout ce problème en utilisant des ions de mercure comme garde-temps, qui portent une charge et peuvent donc être maintenus à distance de la paroi de l’horloge par un champ électromagnétique.

La NASA a lancé le DSAC en 2019 pour tester sa stabilité et sa fiabilité à long terme en orbite, et a maintenant publié des résultats de recherches montrant que sa précision dépasse de loin toute autre horloge présente dans l’espace. Eric Burt, du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie, et ses collègues, ont constaté que le DSAC n’a dérivé globalement que de 4 nanosecondes en 23 jours. Les horloges atomiques spatiales actuelles, telles que celles utilisées dans les satellites GPS, montreraient une dérive d’environ 100 nanosecondes sur la même période.

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Une navigation des sondes spatiales en temps réel bientôt possible

Selon Burt, il est essentiel de réduire le taux d’erreur pour obtenir une navigation précise. De nombreuses missions spatiales utilisent actuellement des horloges atomiques de la taille d’une pièce de monnaie. Ces horloges sont très précises mais consomment beaucoup d’énergie, et leurs signaux mettent plus de temps à arriver au fur et à mesure qu’un vaisseau spatial s’éloigne de la Terre.

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Parallèlement, les horloges atomiques actuelles miniaturisées pour être utilisées dans l’espace sont nettement moins précises que ce qui est nécessaire pour maintenir une navigation autonome précise. Une horloge plus précise à bord d’un vaisseau spatial lui permettrait de calculer sa propre trajectoire au lieu d’attendre les signaux en provenance de la Terre.

schema coupe horloge atomique nasa DSAC
Centre : schéma en coupe transversale d’une chambre à vide de type DSAC (gris clair), montrant les tiges du piège de charge utilisé pour charger initialement les ions, préparer leur état interne initial et lire leur état final (à gauche dans l’image centrale). Les fenêtres optiques où la lumière de préparation de l’état est introduite et où le signal lumineux est détecté sont représentées en cyan et magenta. Une représentation du nuage d’ions piégés est représentée en violet. L’image de gauche montre un tracé de contour de l’amplitude du champ radiofréquence appliqué aux tiges du piège à charge. Le bleu foncé correspond à un champ faible et le rouge à un champ élevé. © E. A. Burt et al.

« Ce niveau de performance des horloges spatiales permettra une navigation unidirectionnelle dans laquelle les temps de propagation des signaux seront mesurés in situ, ce qui rendra possible la navigation en temps quasi réel des sondes spatiales », écrivent les chercheurs dans leur document.

Un DSAC sera inclus dans la mission VERITAS de la NASA vers Vénus, annoncée récemment. Ce vaisseau comprendra son propre chronomètre, basé sur une horloge à quartz standard, mais emportera un DSAC comme banc d’essai pour de futures missions. L’équipe travaille également sur une version de l’horloge atomique qui pourrait s’intégrer dans l’espace occupé par les horloges moins précises qui équipent actuellement les satellites GPS.

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Source : Nature

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