Allez au contenu, Allez à la navigation



La politique spatiale française: bilan et perspectives

 

B. EFFETS RELATIVISTES - PROJET ACES

Les méthodes de refroidissement et de manipulation d'atomes ont provoqué en moins de dix ans une révolution dans le domaine de la mesure du temps et des horloges atomiques. Aujourd'hui, le meilleur étalon de temps au monde est une fontaine atomique utilisant des atomes refroidis par laser, réalisée et installée à l'Observatoire de Paris. Cependant, dans une fontaine atomique, la gravité impose manifestement une limite à la résolution. En microgravité, par contre, la durée d'interaction des atomes dans la cavité micro-onde est augmentée et un temps de mesure d'une dizaine de secondes est envisageable dans un volume réduit. On attend ainsi une amélioration d'un facteur dix en résolution et une excellente exactitude. C'est l'objectif du projet Pharao (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite). Ce projet regroupe les effort de trois laboratoires (le Laboratoire Kastler-Brossel de l'Ecole Normale Supérieure à Paris, le Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences du Bureau National de Métrologie à l'Observatoire de Paris et le Laboratoire de l'Horloge Atomique à Orsay).

L'expérience T2L2, Transfert de Temps par Lien Laser, proposée par l'Observatoire de la Côte d'Azur, doit permettre de synchroniser des horloges terrestres et spatiales. T2L2 est fondé sur la propagation d'impulsions lumineuses très courtes entre ces horloges terrestres et spatiales. L'expérience utilise des stations de télémétrie par laser pour la partie sol, et un système de détection-datation accompagné d'un rétroréflecteur pour la partie satellite.

Fin 1997, Pharao et T2L2 ont été sélectionnés par l'Agence spatiale européenne. Dans sa configuration européenne, le projet Aces (Atomic Clock Ensemble in Space) est prévu pour être installé sur une plate-forme extérieure de la Station spatiale internationale orientée vers le nadir, durant la période d'utilisation initiale (2003-2005), pendant une durée de dix-huit mois. Aces comportera deux horloges, (horloge Pharao et un Maser à Hydrogène de l'Observatoire de Neuchâtel) et deux méthodes de transfert de temps et de fréquence, le lien optique T2L2 et un lien micro-onde. Ce projet est destiné à démontrer la très forte potentialité de cette nouvelle génération d'horloges atomiques dans l'espace. Les objectifs sont à la fois technologiques (faire fonctionner une horloge à atomes de césium refroidis avec des performances de stabilité et d'exactitude ultimes, démontrer son intérêt pour la dissémination du temps par comparaison d'horloges) et scientifiques (physique atomique, tests de Physique fondamentale).

Les objectifs scientifiques de cette mission sont les suivants :

- réaliser une horloge à atomes froids en micropesanteur avec une largeur de résonance de 100 milliHertz, dix fois plus fine que dans une fontaine au sol ;

- obtenir une stabilité de fréquence de 3.10-14. T-1/2 où T est le temps d'intégration en secondes. Cette stabilité devrait atteindre 10-16 sur une journée ;

- étudier les performances ultimes de cette horloge dans la gamme des 10-17 et le compromis entre la stabilité à court terme et l'exactitude du dispositif ;

- disséminer une échelle de temps ultrastable avec une couverture mondiale : l'exactitude visée est de 30 picosecondes soit environ deux ordres de grandeur au-delà des performances actuelles des systèmes Gps et Glonass ;

- réaliser de nouveaux tests de la Relativité générale avec un gain d'un facteur 30 sur la mesure du décalage vers le rouge (effet Einstein) et un gain d'un facteur 10 sur la recherche d'une éventuelle anisotropie de la vitesse de la lumière ;

- rechercher une éventuelle dérive en fonction du temps de la constante de structure fine o, au niveau de 10-16 par année. Ceci correspondrait à une amélioration d'un facteur 400 par rapport aux meilleures mesures de laboratoire actuelles).

En 1999, le CNES a réalisé l'étude de faisabilité de l'horloge à atomes froids Pharao et du système de transfert de temps par lien laser T2L2 qui devraient être livrés à l'ESA fin 2003, pour un vol prévu en 2004. Le CNES s'est aussi impliqué dans le suivi des activités système du projet Aces et dans la définition du segment sol Aces.

Le Comité des Programmes Scientifiques du CNES a exprimé son appréciation unanime du très grand intérêt scientifique des objectifs de la mission ACES/PHARAO : maîtrise de la manipulation des atomes froids en microgravité; comparaison entre horloges terrestres et transfert du temps; décalage gravitationnel vers le rouge et autres tests de la relativité, constante de structure fine. A long terme, la maîtrise des horloges à atomes froids dans l'espace conditionne la précision ultime de la définition du temps, aussi bien que le développement des systèmes de positionnement sur terre et dans l'espace. Les senseurs inertiels à atomes froids nécessitent la validation des mêmes technologies.

Les objectifs d'ACES peuvent être atteints avec la configuration réduite (horloge PHARAO, maser à hydrogène et liaison micro-onde) proposée par le responsable scientifique pour respecter les limites de poids pour le cas où une dérogation ne pourrait être obtenue de la NASA. Le Comité recommande que le CNES mette tous les moyens en oeuvre pour permettre l'embarquement d'ACES sur le vol UF-6 de la navette spatiale prévu en juin 2005, de façon à préserver l'avance scientifique européenne et française dans le domaine des horloges à atomes froids. Ceci implique, pour PHARAO, le démarrage de la phase industrielle (phase C/D) au printemps 2001 et, pour la liaison micro-onde, l'engagement de la phase B après la réunion du prochain Steering Comittee prévue le 15 mars, et la confirmation du financement de la phase C/D lors de la réunion du Conseil de l'ESA au niveau ministériel en novembre 2001.

Le Comité souligne à nouveau le très grand intérêt du lien laser T2L2 pour ACES et pour les expériences futures. Il recommande donc de soutenir les efforts de l'ESA auprès de la NASA pour obtenir son embarquement. Si T2L2 devait être écarté d'ACES, le Comité recommande de rechercher une autre solution pour sa réalisation : microsatellite ou collaboration avec les Etats-Unis.