À l'aide de radiotélescopes observant les étoiles lointaines, les scientifiques ont connecté des horloges atomiques optiques sur différents continents. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Physique de la nature par une collaboration internationale entre 33 astronomes et horlogers de l'Institut national des technologies de l'information et de la communication (NICT, Japon), l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italie), l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italie), et le Bureau international des poids et mesures (BIPM, La France).

Le BIPM à Sèvres près de Paris calcule systématiquement l'heure internationale recommandée pour un usage civil (UTC, Temps universel coordonné) à partir de la comparaison des horloges atomiques via les communications par satellite. Cependant, les liaisons satellitaires indispensables au maintien d'un temps global synchronisé n'ont pas suivi le développement de nouvelles horloges atomiques :des horloges optiques qui utilisent des lasers interagissant avec des atomes ultrafroids pour donner un tic-tac très raffiné. "Pour profiter pleinement des horloges optiques en UTC, il est important d'améliorer les méthodes de comparaison d'horloges mondiales, " a déclaré Gérard Petit, physicien au Département du temps du BIPM.

Dans cette nouvelle recherche, des sources radio extragalactiques à haute énergie remplacent les satellites comme source de signaux de référence. Le groupe de Sekido Mamoru des NTIC a conçu deux radiotélescopes spéciaux, l'un déployé au Japon et l'autre en Italie, réaliser la connexion en utilisant la technique de l'interférométrie à très longue base (VLBI). Ces télescopes sont capables d'observations sur une large bande passante, tandis que les antennes paraboliques de seulement 2,4 mètres de diamètre les rendent transportables. « Nous voulons montrer que le VLBI à large bande a le potentiel d'être un outil puissant non seulement pour la géodésie et l'astronomie, mais aussi pour la métrologie. » a commenté Sekido. Pour atteindre la sensibilité requise, les petites antennes ont fonctionné en tandem avec un plus grand radiotélescope de 34 m à Kashima, Japon lors des mesures prises du 14 octobre 2018 au 14 février 2019. Pour le radiotélescope de Kashima, ce sont parmi les dernières observations avant que le télescope ne soit irrémédiablement endommagé par le typhon Faxai en septembre 2019.

Le but de la collaboration était de connecter deux horloges optiques en Italie et au Japon, séparés par une distance de base de 8700 km. Ces horloges chargent des centaines d'atomes ultra-froids dans un réseau optique, un piège atomique conçu avec une lumière laser. Les horloges utilisent différentes espèces atomiques :l'ytterbium pour l'horloge de l'INRIM et le strontium des NTIC. Les deux sont candidats à une future redéfinition de la seconde dans le Système international d'unités (SI). "Aujourd'hui, la nouvelle génération d'horloges optiques pousse à revoir la définition de la seconde. La route vers une redéfinition doit relever le défi de comparer les horloges à l'échelle mondiale, à l'échelle intercontinentale, avec de meilleures performances qu'aujourd'hui, " a déclaré Davide Calonico, responsable du pôle Métrologie Quantique et Nanotechnologies et coordinateur de la recherche à l'INRIM.

La connexion est possible en observant des quasars à des milliards d'années-lumière :sources radio alimentées par des trous noirs pesant des millions de masses solaires, mais si éloignés qu'ils peuvent être considérés comme des points fixes dans le ciel. Les télescopes visent une étoile différente toutes les quelques minutes pour compenser les effets de l'atmosphère. "Nous avons observé le signal non des satellites, mais à partir de sources radio cosmiques, " a commenté IDO Tetsuya, directeur du « Space-Time Standards Laboratory » et coordinateur de la recherche aux NTIC. "VLBI peut nous permettre en Asie d'accéder à l'UTC en nous basant sur ce que nous pouvons préparer par nous-mêmes, " ajouta IDO.

Des antennes comme celles transportables utilisées dans ces mesures peuvent être installées directement dans les laboratoires développant des horloges optiques dans le monde entier. Selon Sekido, « un réseau mondial d'horloges optiques connecté par VLBI peut être réalisé par collaboration entre les communautés internationales de métrologie et de géodésie, tout comme le réseau VLBI à large bande du VLBI Global Observing System (VGOS) a déjà été établi, " tandis que Petit a commenté, "en attente de liaisons optiques longue distance, cette recherche montre qu'il y a encore beaucoup à gagner des liaisons radio, où VLBI avec des antennes transportables peut compléter les systèmes mondiaux de navigation par satellite et les satellites de télécommunication.

En plus d'améliorer le chronométrage international, une telle infrastructure ouvre également de nouvelles voies pour étudier la physique fondamentale et la relativité générale, explorer les variations du champ gravitationnel de la Terre, ou encore la variation des constantes fondamentales sous-jacentes à la physique. Federico Perini, coordinateur de la recherche à l'INAF, commenté, "Nous sommes fiers d'avoir participé à cette collaboration en aidant à réaliser un si grand pas en avant dans le développement d'une technique qui, en utilisant les sources radio les plus éloignées de l'Univers, rend possible la mesure des fréquences générées par deux des horloges les plus précises ici sur Terre. » Calonico conclut, "Notre comparaison à l'aide de VLBI donne une nouvelle perspective pour améliorer et étudier de nouvelles méthodes de comparaison d'horloges, en regardant aussi la contamination entre les différentes disciplines."