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Les horloges atomiques sont actuellement les objets de mesure du temps les plus précis jamais développés par l’Homme. Hier, la NASA a placé en orbite une horloge atomique différente de ses homologues : de la taille d’un toaster, la Deep Space Atomic Clock est une horloge atomique utilisant des ions mercure, 50 fois plus précise que les horloges atomiques équipant aujourd’hui les satellites GPS, et affichant une variation de seulement 1 seconde tous les 10 millions d’années. Une avancée qui pourrait faire progresser à grands pas le voyage spatial.

Appelée Deep Space Atomic Clock, l’année prochaine sera cruciale pour son développement. La NASA surveillera ses performances en orbite autour de la Terre à une altitude de 720 km, soit presque deux fois plus que la Station spatiale internationale. Elle a été lancée à bord de la fusée Falcon Heavy de SpaceX.

Les horloges atomiques sont le pivot de la navigation par satellite. Les satellites GPS envoient en permanence des signaux radio à la vitesse de la lumière, indiquant la position et l’heure à laquelle ils ont quitté le satellite. Le récepteur sur Terre — un téléphone mobile, par exemple — mesure le délai de chaque satellite et le convertit en coordonnées spatiales.

Horloges atomiques : une précision cruciale pour la navigation

Plus l’horloge est précise, meilleures sont les données de localisation. C’est ici qu’intervient l’horloge atomique. La plupart des horloges et montres sont maintenant basées sur un oscillateur à quartz. Étant donné que les cristaux de quartz vibrent à une fréquence régulière lorsqu’un faible courant électrique est appliqué, ils peuvent être utilisés comme base pour la conservation du temps. Cela convient parfaitement pour les tâches quotidiennes, mais au fil du temps, ces oscillateurs à quartz perdent en précision.

Après seulement six semaines, ils peuvent perdre jusqu’à une milliseconde ou un millième de seconde. Cela peut sembler peu, mais si nous nous en servions pour la navigation spatiale, cette petite fraction de seconde pourrait signifier une erreur de distance de 300 kilomètres. Les horloges atomiques, elles, sont basées sur les oscillations des atomes excités piégés. Les horloges atomiques les plus précises resteraient ainsi stables pendant des milliards d’années.

horloge atomique ytterbium

Image d’une horloge atomique à l’ytterbium. Les horloges atomiques actuelles ont une taille trop importante pour être embarquées sur des engins spatiaux. En outre, leur dérive temporelle est encore trop importante. Crédits : NIST

Toutefois, ce sont des objets relativement volumineux. Les horloges atomiques des satellites utilisent des atomes de césium et de rubidium. Bien qu’elles soient beaucoup plus précises qu’un oscillateur à quartz, elles dérivent toujours, et des corrections au sol doivent être apportées deux fois par jour à partir d’horloges atomiques de la taille d’un réfrigérateur.

Deep Space Atomic Clock : une horloge atomique hors-norme

La Deep Space Atomic Clock est basée sur des atomes de mercure chargés électriquement, confinés dans un piège électromagnétique. Lorsqu’ils sont excités, ces ions oscillent, produisant des « tic-tac » optiques. Bien que nous ayons des horloges atomiques depuis les années 1950, les horloges atomiques à ions mercure n’ont été développées que dans les 20 dernières années, mais elles semblent déjà extrêmement prometteuses.

Sur le même sujet : Des horloges atomiques plus précises et stables grâce à un élément rare

structure horloge atomique

Schéma structurel de la Deep Space Atomic Clock de la NASA. Crédits : NASA/JPL

Selon la NASA, la Deep Space Atomic Clock est jusqu’à 50 fois plus précise que les oscillateurs au césium et au rubidium actuellement en orbite. Elle est aussi stable que les horloges atomiques au sol sur lesquelles leur navigation est calculée. Cela signifie que, plutôt que le système de signalisation bidirectionnel actuellement utilisé, la Deep Space Atomic Clock pourrait être utilisée pour effectuer des calculs de navigation directement à bord de l’engin spatial, après réception d’un signal depuis la Terre.

horloge atomique nasa

Cinquante fois plus précise que les horloges atomiques actuelles, la Deep Space Atomic Clock possède également une petite taille, ce qui lui permet d’être embarquée à bord de n’importe quel engin spatial. Crédits : NASA/JPL

Ce suivi unidirectionnel se traduirait par une navigation plus rapide et plus flexible, avec un apport minimal de la part de la Terre, ce qui entraînerait des temps de réponse plus rapides en cas d’imprévus, des corrections de trajectoire plus fines et un engin spatial capable de s’adapter rapidement. À son tour, cela allégerait la charge des radiotélescopes du Deep Space Network de la NASA, ce qui lui permettrait de gérer simultanément de nombreux vaisseaux spatiaux alors qu’ils exploreraient le Système solaire, sans nécessiter d’extension technique.

Sources : JPL

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