La théorie d’Einstein mise à l’épreuve en orbite : l’ESA lance la mission ACES ! Découvrez les objectifs ambitieux

Une horloge qui recule d'une seconde tous les 300 millions d'années équivaut peut-être, pour le citoyen moyen, à tuer des mouches avec un canon. À aucun moment de notre vie quotidienne nous n'aurons besoin de mesurer un événement temporel avec une telle précision.

Cependant, l'idée derrière la mission ACES n'est pas que les astronautes sachent exactement combien de temps il faut à leur café pour se réchauffer, mais de tester la théorie de la relativité d'Einstein et d'ouvrir de nouveaux champs de recherche sur les fondements de la physique depuis l'orbite de notre planète.

L’horloge est composée de deux instruments, dont le PHARAO, une horloge de 91 kg qui fonctionne grâce à la mesure d’atomes de césium ultra-refroidis à l’aide de lasers. L’utilisation de ce type d’horloge n’est pas anodine, car selon le Système international d’unités actuel, une seconde correspond à la durée de 9 192 631 770 cycles d’oscillation d’un atome de césium.

PHARAO sera accompagné du Space Hydrogen Maser (SHM), un instrument capable de mesurer le temps à l'aide d'atomes d'hydrogène. Séparément, ces horloges sont extraordinairement précises, mais ensemble, elles atteignent un autre niveau, celui nécessaire pour redéfinir les normes mondiales de mesure du temps.

Pourquoi voulons-nous une horloge aussi précise dans l'espace ?

Ces instruments sont arrivés le 25 avril 2025 au laboratoire Columbus de la Station spatiale internationale, et un bras robotique les installera dans le système de chargement externe nadir, qui fait face à notre planète. De cette manière, les laboratoires au sol pourront se connecter en utilisant des micro-ondes (MLW) et des lasers pour synchroniser leurs horloges avec une précision sans précédent.

Une fois installé, ACES accompagnera pendant 30 mois l'ISS dans son voyage autour de la planète, dont il fait le tour 16 fois par jour. Pendant cette période, il devrait effectuer au moins 10 campagnes de mesure de 25 jours chacune, afin de capturer les variations temporelles minimes causées par l'influence de la gravité et de la vitesse orbitale de la Terre. En d'autres termes, ACES quantifiera les effets de la théorie de la relativité d'Einstein et testera ses prédictions.

Mais ce n'est pas que de la théorie : ces instruments ont aussi des applications concrètes. Par exemple, une mesure aussi stable du temps orbital permettra une meilleure synchronisation des systèmes mondiaux de positionnement par satellite et augmentera considérablement la précision des systèmes GPS.

En outre, d'autres systèmes de télécommunications qui ont également besoin d'objets en orbite, comme Internet, pourraient bénéficier d'une horloge de ce type pour fonctionner de manière plus fiable. En d'autres termes, cette horloge pourrait être la pierre angulaire du fonctionnement coordonné du monde numérique.

Comment la théorie d'Einstein affecte-t-elle les satellites ?

Selon les effets relativistes, la vitesse d'un corps et sa position par rapport à une source gravitationnelle affectent sa perception du temps qui passe. Ainsi, le « décalage vers le rouge gravitationnel » fait que les satellites ressentent le passage du temps différemment de nous à la surface de la planète.

L'effet est particulièrement visible sur les satellites Galileo et GPS, qui orbitent à environ 20 000 kilomètres de la surface. En conséquence, leurs horloges atomiques sont décalées d'environ 40 microsecondes par jour par rapport à celle de la Terre, ce qui les oblige à corriger constamment leur date.

En utilisant ACES, les chercheurs espèrent mieux comprendre les fluctuations temporelles causées par l'effet Einstein et ainsi augmenter la précision des mesures satellitaires. Ils espèrent également utiliser les horloges pour créer des cartes géodésiques plus précises ou pour mesurer les petites variations qui se produisent en raison de phénomènes liés aux interactions entre la gravité et l'atmosphère terrestre. mecânica quântica.

Référence de l'article :

ACES: Atomic Clock Ensemble in Space. Science & Exploration.