Les engins spatiaux qui s'aventurent au-delà de notre Lune dépendent de la communication avec les stations au sol sur Terre pour savoir où ils se trouvent et où ils vont. L'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA s'efforce de donner à ces explorateurs éloignés plus d'autonomie lors de la navigation. Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans la revue La nature , la mission fait état de progrès dans leurs travaux visant à améliorer la capacité des horloges atomiques spatiales à mesurer le temps de manière cohérente sur de longues périodes.

Connu sous le nom de stabilité, cette fonctionnalité a également un impact sur le fonctionnement des satellites GPS qui aident les gens à naviguer sur Terre, ce travail a donc également le potentiel d'augmenter l'autonomie des engins spatiaux GPS de nouvelle génération.

Pour calculer la trajectoire d'un engin spatial lointain, les ingénieurs envoient des signaux du vaisseau spatial vers la Terre et retour. Ils utilisent des horloges atomiques de la taille d'un réfrigérateur au sol pour enregistrer la synchronisation de ces signaux, ce qui est essentiel pour mesurer avec précision la position de l'engin spatial. Mais pour les robots sur Mars ou vers des destinations plus lointaines, attendre les signaux pour effectuer le voyage peut rapidement s'étendre jusqu'à des dizaines de minutes, voire des heures.

Si ces vaisseaux spatiaux transportaient des horloges atomiques, ils pouvaient calculer leur propre position et direction, mais les horloges devraient être très stables. Les satellites GPS transportent des horloges atomiques pour nous aider à atteindre nos destinations sur Terre, mais ces horloges nécessitent des mises à jour plusieurs fois par jour pour maintenir le niveau de stabilité nécessaire. Les missions dans l'espace lointain nécessiteraient des horloges spatiales plus stables.

Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, l'horloge atomique de l'espace lointain fonctionne à bord du vaisseau spatial du banc d'essai orbital de General Atomic depuis juin 2019. La nouvelle étude rapporte que l'équipe de la mission a établi un nouveau record de stabilité à long terme de l'horloge atomique dans l'espace, atteignant plus de 10 fois la stabilité des horloges atomiques spatiales actuelles, y compris ceux des satellites GPS.

Quand chaque nanoseconde compte

Toutes les horloges atomiques ont un certain degré d'instabilité qui entraîne un décalage de l'heure de l'horloge par rapport à l'heure réelle. Si non corrigé, le décalage, tout en étant minuscule, augmente rapidement, et avec la navigation spatiale, même un petit décalage pourrait avoir des effets drastiques.

L'un des principaux objectifs de la mission Deep Space Atomic Clock était de mesurer la stabilité de l'horloge sur des périodes de plus en plus longues, pour voir comment ça change avec le temps. Dans le nouveau journal, l'équipe rapporte un niveau de stabilité qui conduit à un écart temporel de moins de quatre nanosecondes après plus de 20 jours de fonctionnement.

"En règle générale, une incertitude d'une nanoseconde dans le temps correspond à une incertitude de distance d'environ un pied, " a déclaré Eric Burt, un physicien de l'horloge atomique pour la mission au JPL et co-auteur du nouvel article. "Certaines horloges GPS doivent être mises à jour plusieurs fois par jour pour maintenir ce niveau de stabilité, et cela signifie que le GPS dépend fortement de la communication avec le sol. L'horloge atomique de l'espace lointain repousse cela à une semaine ou plus, donnant ainsi potentiellement beaucoup plus d'autonomie à une application comme le GPS."

La stabilité et le retard ultérieur rapportés dans le nouveau document sont environ cinq fois meilleurs que ce que l'équipe a rapporté au printemps 2020. Cela ne représente pas une amélioration de l'horloge elle-même, mais dans la mesure de la stabilité de l'horloge par l'équipe. Des périodes d'exploitation plus longues et presque une année complète de données supplémentaires ont permis d'améliorer la précision de leur mesure.

La mission Deep Space Atomic Clock se terminera en août, mais la NASA a annoncé que les travaux sur cette technologie se poursuivent :la Deep Space Atomic Clock-2, une version améliorée du chronométreur de pointe, volera sur le VERITAS (abréviation de Venus Emissivity, Radiosciences, InSAR, Topographie, et spectroscopie) vers Vénus. Comme son prédécesseur, la nouvelle horloge spatiale est une démonstration technologique, ce qui signifie que son objectif est de faire progresser les capacités dans l'espace en développant des instruments, Matériel, Logiciel, ou autre qui n'existe pas actuellement. Construit par JPL et financé par la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA, le signal d'horloge ultra-précis généré avec cette technologie pourrait aider à permettre la navigation autonome des engins spatiaux et à améliorer les observations scientifiques radio sur les futures missions.

"La sélection de la NASA de Deep Space Atomic Clock-2 sur VERITAS témoigne de la promesse de cette technologie, " a déclaré Todd Ely, Chercheur principal et chef de projet de l'horloge atomique de l'espace lointain au JPL. « Sur VERITAS, nous visons à mettre cette horloge spatiale de nouvelle génération à l'épreuve et à démontrer son potentiel pour la navigation et la science dans l'espace lointain."