Le 24 juin 2019* Très bientôt, la NASA enverra une horloge atomique dans l’espace et pas n’importe laquelle. Elle est jusqu’à 50 fois plus précise que les horloges atomiques à bord des satellites GPS, sa précision ne changeant que d’une seconde toute les 10 millions d’années.

* SpaceX a dû reporter le décollage de sa grosse fusée à aujourd’hui (25 juin) et il se peut qu’il y ait un nouveau délai.

De la taille d’un grille-pain, elle pourrait révolutionner les voyages dans les profondeurs de l’espace.

Elle s’appelle la Deep Space Atomic Clock, et l’année prochaine sera cruciale pour son développement, la NASA surveillera ses performances alors qu’elle gravitera autour de la Terre à une altitude de 720 kilomètres, soit près du double de celle de la Station spatiale internationale. Elle sera lancée à bord d’une fusée Falcon Heavy de SpaceX.

Représentation du contenant de la Deep Space Atomic Clock et de son satellite. (NASA)

Les horloges atomiques sont le pivot de la navigation par satellite. Les satellites GPS envoient constamment des signaux radioélectriques transmettant la position et l’heure à laquelle ils ont quitté le satellite. Le récepteur sur Terre, votre téléphone portable, par exemple, mesure le temps de propagation de chaque satellite et le convertit en coordonnées spatiales.

C’est à peu près comme ça que fonctionne la navigation des engins spatiaux. Les navigateurs ici sur Terre enverront un signal à l’engin spatial, et ce dernier en enverra un en retour. Comme le signal se déplace à une vitesse connue, le temps que cela prend permet de calculer la distance jusqu’à la sonde/ vaisseau spatial.

Comme vous pouvez probablement l’imaginer, plus l’horloge est précise, meilleures sont les données de localisation. C’est là qu’intervient l’horloge atomique.

Trois affiches gratuites célébrant l’horloge atomique de la NASA, disponible ici. (NASA/ JPL-Caltech)

La plupart des horloges et montres sont maintenant basées sur un oscillateur à quartz. Parce que les cristaux de quartz vibrent à une fréquence régulière lorsqu’un petit courant électrique est appliqué, ils peuvent être utilisés comme base pour conserver le temps. C’est parfait pour notre mesure quotidienne du temps, mais avec le temps… ces oscillateurs à quartz perdent en précision.

Après seulement 6 semaines, ils peuvent être décalés d’une milliseconde ou d’un millième de seconde. Ce n’est peut-être pas grand-chose, mais si on s’y fiait pour la navigation spatiale, cette petite fraction de seconde pourrait signifier une erreur de distance de 300 kilomètres.

Les horloges atomiques, d’autre part, sont basées sur les oscillations des atomes excités piégés, qui vont et viennent. Et ils sont incroyablement précis. Les horloges atomiques les plus précises ne gagneraient ni ne perdraient une seconde pendant des milliards d’années.

Il s’agit d’objets de grande taille qui ne peuvent pas être envoyés dans l’espace. Les horloges atomiques des satellites utilisent des atomes de césium et de rubidium, et bien qu’elles soient beaucoup plus précises qu’un oscillateur à quartz, elles dévient toujours et des corrections au sol doivent être effectuées deux fois par jour à partir de montres de la taille de réfrigérateurs atomiques.

La Deep Space Atomic Clock est basée sur des atomes de mercure chargés électriquement, moins nombreux que ceux que l’on trouve dans deux boîtes de thon, contenues dans un piège électromagnétique. Lorsqu’ils sont excités, ces atomes chargés, ou ions, oscillent, produisant des « tics » optiques.

Illustration et plan de la Deep Space Atomic Clock (DSAC). (NASA)

Bien que nous ayons des horloges atomiques depuis les années 1950, celles à ions de mercure n’ont été mises au point qu’au cours des 20 dernières années, mais elles promettent déjà une plus grande précision.

La Deep Space Atomic Clock est, selon la NASA, 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 qu’au lieu du système de signalisation bidirectionnelle actuellement utilisé, la Deep Space Atomic Clock pourrait être utilisée pour effectuer des calculs de poursuite à bord de l’engin spatial, après réception d’un signal de la Terre. Ce suivi unidirectionnel signifierait une navigation plus rapide et plus souple, avec un minimum d’intervention de la Terre, ce qui se traduirait par des temps de réaction plus rapides aux événements imprévus, des corrections de cap plus adroites, un vaisseau spatial qui pourrait s’adapter à la volée, si l’on peut dire.

En retour, cela allégerait la charge du réseau de radiotélescopes Deep Space de la NASA, ce qui lui permettrait de gérer simultanément de nombreux vaisseaux spatiaux lorsqu’ils explorent le système solaire.

Bref, cela pourrait changer notre façon de naviguer entre les étoiles.

Sur le site de la NASA :

• Deep Space Atomic Clock (DSAC): Space Tech Timekeeper for Artemis Missions
• How an Atomic Clock Will Get Humans to Mars on Time
• Five Things to Know about NASA’s Deep Space Atomic Clock