Horloges atomiques : elles sont désormais si précises qu’elles pourraient détecter des ondes gravitationnelles

Les horloges atomiques sont actuellement les instruments de mesure du temps les plus précis jamais créés par l’Homme. Chaque année, les scientifiques améliorent leurs performances et leur précision. Une équipe de physiciens américains a achevé récemment un nouveau record en mettant au point deux horloges atomiques si précises, qu’elles pourraient détecter des perturbations gravitationnelles. 

Les physiciens du NIST (Institut national américain des normes et de la technologie) ont obtenu ces résultats avec trois des paramètres les plus importants utilisées pour évaluer les performances de l’horloge atomique : incertitude systématique, stabilité et reproductibilité. « Cela peut être considéré comme la « quinte royale » des performances de ces horloges » explique Andrew Ludlow, physicien au NIST.

Les deux nouvelles horloges sont basées sur des atomes d’ytterbium. Dans chaque horloge, un réseau optique constitué de lasers retient immobile un millier de ces atomes. Ces lasers excitent les électrons des atomes, qui oscillent ensuite, commutant avec une incroyable régularité entre deux états d’énergie.

Comme le tic-tac d’une horloge analogique, cette commutation d’énergie peut être utilisée pour conserver un temps stable — mais avec une précision bien supérieure à celle d’une horloge analogique, voire même numérique. Le dernier record, publié l’an dernier, était si précis qu’il pourrait garder le temps sans perdre ni gagner une seconde pendant 15 milliards d’années. Les résultats des tests sur ces nouvelles horloges ont été publiés dans la revue Nature.

L’incertitude systématique consiste à savoir si l’horloge conserve l’heure au cours de l’oscillation des atomes. Les deux horloges étaient synchronisées avec la fréquence de l’ytterbium, avec une incertitude de 1.4×10⁻¹⁸. La stabilité fait référence au changement de la fréquence de l’horloge sur une période donnée. L’instabilité des horloges ytterbium n’était que de 3.2×10⁻¹⁹ (ou 0.00000000000000000032).

Enfin, la reproductibilité fait référence à la fidélité avec laquelle les horloges oscillent à la même fréquence. Leur différence était en dessous du niveau des 10^-18, soit un milliardième de milliard.

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« L’accord des deux horloges à ce niveau sans précédent, que nous appelons reproductibilité, est peut-être le résultat le plus important, car il requiert et corrobore les deux autres résultats » déclare Ludlow. « Cela est d’autant plus vrai que la reproductibilité démontrée révèle que l’erreur totale des horloges est en dessous de notre capacité générale à prendre en compte l’effet de la gravité sur le temps, ici sur Terre ».

« Par conséquent, si nous envisageons que des horloges comme celles-ci soient utilisées dans le monde, leur performance relative serait, pour la première fois, limitée par les effets de la gravitation terrestre ».

Cette précision sans précédent profitera certainement à de nombreux instruments et expériences utilisant des horloges atomiques. Par exemple, les systèmes de positionnement global, qui reçoivent les signaux de satellites équipés d’horloges atomiques, mesurent ensuite le retard du signal de chaque satellite et les convertissent en coordonnées spatiales.

Les horloges atomiques ont également été utilisées pour détecter et mesurer la dilatation du temps, l’effet de la vitesse ou de la gravité sur le temps. La vitesse relative ralentit le temps. Une plus grande gravité ralentit également le temps. Par exemple, à des altitudes plus élevées sur Terre, le temps s’écoule réellement un peu plus vite.

En raison de cette différence, les horloges atomiques peuvent être placées à différentes altitudes pour mesurer la gravité elle-même. Cela signifie que ces nouvelles horloges pourraient — en théorie — être utilisées pour mesurer la forme du champ gravitationnel de la Terre, un champ connu sous le nom de géodésie relativiste, avec une précision d’un centimètre.

Mais des horloges atomiques aussi précises et aussi sensibles à la gravité pourraient aussi potentiellement détecter les signaux extrêmement faibles émis par les ondes gravitationnelles. Elles pourraient également servir dans le cadre de la détection de la matière noire. Théoriquement, lorsque les horloges atomiques interagissent avec la matière noire, elles peuvent accélérer ou ralentir, mais en fractions de seconde absolument minuscules. Les horloges atomiques synchronisées peuvent rendre ces divergences détectables, ce qui est tout simplement impossible pour les autres horloges.

Sources : Nature