Cette image du laboratoire spatial européen Columbus a été prise par l'astronaute de l'ESA Luca Parmitano lors de sa sortie dans l'espace le 9 juillet 2013. Crédit :ESA/NASA
La Station spatiale internationale accueillera les horloges les plus précises jamais sorties de la Terre. Précises à la seconde en 300 millions d'années, les horloges pousseront la mesure du temps pour tester les limites de la théorie de la relativité et notre compréhension de la gravité.
La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein a prédit que la gravité et la vitesse influencent le temps, plus vous voyagez vite, plus le temps ralentit, mais aussi plus la gravité vous tire dessus, plus le temps ralentit.
Le 29 mai 1919, la théorie d'Einstein a été mise à l'épreuve pour la première fois lorsqu'Arthur Eddington a observé la lumière « se plier » autour du Soleil lors d'une éclipse solaire. Quarante ans plus tard, l'expérience Pound-Rebka a d'abord mesuré l'effet de décalage vers le rouge induit par la gravité en laboratoire, mais un siècle plus tard, les scientifiques cherchent toujours les limites de la théorie.
"La théorie de la relativité décrit notre Univers à grande échelle, mais à la frontière de l'échelle infinitésimale la théorie n'emboîte pas et elle reste incompatible avec la mécanique quantique, " explique Luigi Cacciapuoti, Scientifique du projet Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) de l'ESA. "Les tentatives d'aujourd'hui pour unifier la relativité générale et la mécanique quantique prédisent des violations du principe d'équivalence d'Einstein."
Le principe d'Einstein détaille comment la gravité interfère avec le temps et l'espace. L'une de ses manifestations les plus intéressantes est la dilatation du temps due à la gravité. Cet effet a été prouvé en comparant des horloges à différentes altitudes comme sur les montagnes, dans les vallées et dans l'espace. Les horloges à plus haute altitude montrent que le temps passe plus vite par rapport à une horloge à la surface de la Terre car il y a moins de gravité de la Terre plus vous êtes loin de notre planète.
Photo négative de l'éclipse solaire de 1919. Crédit :Société royale d'astronomie
Voler à 400 km d'altitude sur la Station spatiale, l'Ensemble de l'horloge atomique dans l'espace effectuera des mesures plus précises que jamais.
Internet des horloges
ACES va créer un "internet des horloges", connecter les montres atomiques les plus précises du monde et comparer leur chronométrage avec celui du laboratoire d'apesanteur de l'humanité alors qu'il survole.
Ingénieurs de l'agence spatiale française travaillant sur l'horloge spatiale atomique Pharao. Pharao fait partie de l'Ensemble de l'horloge atomique dans l'espace, ACE, qui s'envolera pour la Station spatiale internationale. Crédit :CNES
Comparer le temps à une stabilité de quelques centaines de femtosecondes – un millionième de milliardième de seconde – nécessite des techniques qui repoussent les limites de la technologie actuelle. ACES a deux façons pour les horloges de transmettre leurs données, une liaison hyperfréquence et une liaison optique. Les deux connexions échangent des signaux de synchronisation bidirectionnels entre les stations au sol et le terminal spatial, lorsque le signal de synchronisation se dirige vers la Station spatiale et lorsqu'elle redescend sur Terre.
La précision sans précédent offerte par cette configuration apporte de jolis bonus à l'expérience ACES. Des horloges au sol seront comparées entre elles fournissant des mesures locales de différences géopotentielles, aider les scientifiques à étudier notre planète et sa gravité.
Les fréquences des liaisons laser et micro-ondes permettront de comprendre comment la lumière et les ondes radio se propagent dans la troposphère et l'ionosphère, fournissant ainsi des informations sur le climat. Finalement, l'Internet des horloges permettra aux scientifiques de répartir l'heure et de synchroniser leurs horloges dans le monde entier pour des expériences terrestres à grande échelle et pour d'autres applications nécessitant une synchronisation précise.
Module Columbus avec ACES. Crédit :ESA–D. Ducros
"La prochaine génération d'horloges atomiques et les techniques de liaison que nous développons pourraient un jour être utilisées pour observer les ondes gravitationnelles elles-mêmes dans le cadre de la mission LISA proposée par l'ESA, " ajoute Luigi, "mais pour l'instant ACES va nous aider à tester du mieux que nous pouvons la théorie de la relativité générale d'Einstein, à la recherche de petites violations qui, si trouvé, pourrait ouvrir une fenêtre sur une nouvelle théorie de la physique qui doit venir. »
Les horloges ont été testées et intégrées sur la charge utile d'ACES et la liaison hyperfréquence pour ACES est en cours de test avant l'intégration finale avec l'expérience complète. ACES sera prêt à être lancé vers la Station spatiale d'ici 2020.
