Lancement d'Horloges Atomiques en Orbite pour Tester la Relativité

Introduction

L'Agence spatiale européenne (ESA) a prévu le lancement d'un ensemble d'horloges atomiques vers la Station spatiale internationale (ISS) pour tester la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Ce projet, résultat de plus de trois décennies de recherche et développement, vise à mesurer l'effet de l'altitude sur l'écoulement du temps avec une précision inégalée grâce à ces horloges atomiques.

Contexte et Objectifs

Depuis 1915, la théorie de la relativité générale d'Einstein indique que le temps ralentit à proximité d'objets massifs. Sur Terre, cet effet, souvent appelé "effet Einstein", est à peine perceptible mais devient significatif dans l'espace. Les systèmes de positionnement par satellite, comme GPS et Galileo, doivent ajuster leurs calculs pour corriger ce phénomène. En effet, à une altitude d'environ 20 000 km, les horloges des satellites avancent de 40 microsecondes par jour par rapport à celles sur Terre.

Le projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) entend améliorer la précision de cette mesure de "décalage gravitationnel" à hauteur d'un millionième, grâce à deux horloges atomiques de haute précision : PHARAO et un maser à hydrogène. Ce lancement est prévu à partir de Cap Canaveral, en Floride, avec SpaceX Falcon 9 pour rejoindre l'ISS située à 400 km d'altitude.

Fonctionnement des Horloges Atomiques

PHARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atômes en Orbite) est une horloge constituée d'atomes de césium maintenus à une température proche du zéro absolu (-273 °C) au sein d'un tube à ultravide. Ces atomes sont refroidis par laser et immobilisés en impesanteur, ce qui permet de mesurer leurs vibrations de façon extrêmement précise. Depuis 1967, une seconde a été définie par les vibrations de transition hyperfine de l'atome de Césium 133, soit 9 192 631 770 cycles.

En associant PHARAO à un maser à hydrogène, qui apporte une stabilité remarquable, la dernière dérive de ce système ne présenterait qu'une seconde d'écart tous les 300 millions d'années. Ce niveau de précision représente une avancée technologique majeure dans la mesure du temps.

Défis et Perspectives

Ce projet ambitieux a exigé la miniaturisation et l'adaptation des horloges atomiques aux contraintes de l'espace, une tâche difficile compte tenu de la taille originale de ces dispositifs, équivalente à une pièce entière dans des institutions telles que l'Observatoire de Paris. Les données obtenues à bord de l'ISS seront comparées avec celles de neuf terminaux terrestres répartis autour du globe.

L'analyse des résultats devra déterminer si les mesures concordent avec les prédictions de la relativité. Dans un cas contraire, ce projet pourrait ouvrir de nouvelles perspectives en physique, permettant d'ajuster les observations aux équations actuelles. En outre, il pourrait contribuer à réconcilier la relativité générale et la physique quantique, offrant une meilleure compréhension de l'Univers à toutes les échelles.