Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?

Afin de voyager dans l'espace, nous devons avoir une idée précise d'où nous sommes exactement : Une démonstration technologique qui pourrait transformer la façon dont les êtres humains explorent l’espace est enfin apparue. Développée par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, l’horloge atomique est une mise à niveau importante des horloges par satellite qui, par exemple, permettent d’activer le GPS de votre téléphone.

À terme, cette nouvelle technologie pourrait rendre plus autonome la navigation des vaisseaux spatiaux vers des lieux éloignés comme Mars. Mais qu’est-ce qu’une horloge atomique ? Comment sont-elles utilisées dans la navigation spatiale et en quoi l’horloge atomique est-elle différente d’une horloge maison ?

Avec une erreur de seulement une seconde sur une période pouvant atteindre 100 millions d’années, les horloges atomiques comptent parmi les dispositifs de mesure du temps les plus précis de l’histoire de l’humanité.

Dans cet article, vous découvrirez pourquoi les horloges atomiques sont si importantes et comment elles fonctionnent.

Vous aurez par la suite une excellente idée de l’importance de celle-ci dans notre quête de l’exploration de l'univers, mais aussi en matière d’évolution technologique sur le sol terrestre. 

Lisez la suite pour obtenir toutes les réponses.

Pourquoi utilisons-nous des horloges pour naviguer dans l’espace ?

Pour déterminer la distance d’un vaisseau spatial par rapport à la Terre, les navigateurs envoient un signal à ce vaisseau, qui le renvoie ensuite à la Terre. Le temps nécessaire au signal pour effectuer ce voyage aller-retour révèle la distance du vaisseau spatial par rapport à la Terre, car le signal voyage à une vitesse absolument connue : la vitesse de la lumière. 

Bien que cela puisse paraître compliqué, la plupart d’entre nous utilisent ce concept tous les jours. L’épicerie peut se trouver à 30 minutes de marche de votre maison. Si vous savez que vous pouvez marcher environ un kilomètre en 20 minutes, vous pouvez calculer la distance jusqu’au magasin. 

En envoyant plusieurs signaux et en prenant de nombreuses mesures au fil du temps, les navigateurs peuvent calculer la trajectoire d’un vaisseau spatial avec précision : où il se trouve et où il se dirige.

Pourquoi ne pas utiliser des horloges normales pour voyager dans l’espace ? 

La plupart des horloges modernes, des montres-bracelets à celles utilisées sur les satellites, donnent l’heure en utilisant un oscillateur à quartz. Ces dispositifs tirent parti du fait que les cristaux de quartz vibrent à une fréquence parfois imprécise lorsqu’une tension leur est appliquée. Les vibrations du cristal agissent comme le pendule d’une horloge et indiquent le temps qui s’est écoulé.

Pour connaître la position du vaisseau spatial à moins d’un mètre près, les navigateurs ont besoin d’horloges ayant une résolution temporelle incroyablement précise : des horloges capables de mesurer des milliardièmes de seconde.

Les navigateurs ont également besoin d’horloges extrêmement stables. La « stabilité » fait référence à la constance avec laquelle une horloge mesure une unité de temps ; sa mesure de la durée d’une seconde, par exemple, doit être la même (à mieux qu’un milliardième de seconde) pendant des jours et des semaines.

Précision d’une horloge atomique. 

9,192,631,770

C’est le nombre d’oscillations d’une horloge atomique. Elles sont conçues pour mesurer la durée très précise d’une seconde, l’unité de base du chronométrage moderne. Le Système international d’unités (SI) définit la seconde comme le temps qu’il faut à un atome de césium 133 dans un état précisément défini pour osciller exactement : 

9 milliards, 192 millions, 631 mille, 770 fois. 

La définition officielle donne plus de détails : « La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium-133. » Cette définition se réfère à un atome de césium au repos à une température de 0 Kelvin.

Principe de fonctionnement des horloges atomiques.

Dans une horloge atomique, les oscillations naturelles des atomes agissent aussi comme le pendule d’une horloge de parquet. Cependant, les horloges atomiques sont beaucoup plus précises que les horloges conventionnelles, car les oscillations atomiques ont une fréquence bien plus élevée et sont infiniment plus stables. 

Quel est le rapport entre les atomes et les horloges ?

Comme nous l’avons vu, les horloges à quartz ne sont pas suffisamment précises et stables. Après seulement une heure, même les oscillateurs à quartz les plus performants peuvent être décalés d’une nanoseconde (un milliardième de seconde). Après six semaines, ils peuvent se tromper d’une milliseconde complète (un millième de seconde), soit une erreur de distance de 300 kilomètres. Cela aurait un impact énorme sur la mesure de la position d’un objet ou vaisseau spatial qui se déplace rapidement.

Les horloges atomiques combinent un oscillateur à cristal de quartz avec un ensemble d’atomes pour obtenir une plus grande stabilité. L’horloge atomique de la NASA sera décalée de moins d’une nanoseconde après quatre jours et de moins d’une microseconde (un millionième de seconde) après dix ans. Cela équivaut à un décalage d’une seconde seulement tous les 10 millions d’années.

Explication du rôle des atomes dans le calcul du temps.

Les atomes sont composés d’un noyau (constitué de protons et de neutrons) entouré d’électrons. Chaque élément du tableau périodique représente un atome avec un certain nombre de protons dans son noyau. Le nombre d’électrons qui grouillent autour du noyau peut varier, mais ils doivent occuper des niveaux d’énergie discrets, ou orbites.

Une décharge d’énergie sous la forme de micro-ondes peut faire passer un électron sur une orbite supérieure autour du noyau. L’électron doit recevoir exactement la bonne quantité d’énergie – ce qui signifie que les micro-ondes doivent avoir une fréquence très spécifique – afin d’effectuer ce saut.

L’énergie nécessaire pour que les électrons changent d’orbite est unique dans chaque élément et constante dans tout l’univers pour tous les atomes d’un élément donné. Par exemple, la fréquence nécessaire pour que les électrons d’un atome de carbone changent de niveau d’énergie est la même pour tous les atomes de carbone de l’univers. L’horloge atomique de l’espace utilise des atomes de mercure ; une fréquence différente est nécessaire pour que ces électrons changent de niveau, et cette fréquence sera cohérente pour tous les atomes de mercure. 

« Le fait que la différence d’énergie entre ces orbites ait une valeur aussi précise et stable est vraiment l’ingrédient clé des horloges atomiques », a déclaré Eric Burt, physicien spécialiste des horloges atomiques au JPL. « C’est la raison pour laquelle les horloges atomiques peuvent atteindre un niveau de performance supérieur à celui des horloges mécaniques. »

L’atome est une mesure universelle dans le temps.

Le fait de pouvoir mesurer cette fréquence immuable dans un atome particulier offre à la science une mesure universelle et normalisée du temps. (La « fréquence » désigne le nombre d’ondes qui passent par un point particulier de l’espace dans une unité de temps donnée). Ainsi, en comptant les ondes, il est possible de mesurer le temps. En fait, la mesure officielle de la durée d’une seconde est déterminée par la fréquence nécessaire pour faire sauter les électrons entre deux niveaux d’énergie spécifiques dans un atome de césium.

Dans une horloge atomique, la fréquence de l’oscillateur à quartz est transformée en une fréquence qui est appliquée à une collection d’atomes. Si la fréquence dérivée est correcte, elle fera changer de niveau d’énergie à de nombreux électrons dans les atomes. Si la fréquence est incorrecte, beaucoup moins d’électrons sauteront. Cela déterminera si l’oscillateur à quartz est hors fréquence et de combien. Une « correction » déterminée par les atomes peut alors être appliquée à l’oscillateur à quartz pour le ramener à la bonne fréquence. Ce type de correction est calculé et appliqué à l’oscillateur à quartz toutes les quelques secondes dans l’horloge atomique de l’espace.

Mais alors, quelle est la particularité de l’horloge atomique dans l’espace ?

Aujourd’hui, des horloges atomiques sont utilisées à bord des satellites GPS en orbite autour de la Terre, mais même elles doivent recevoir des mises à jour deux fois par jour pour corriger la dérive dite naturelle des horloges. Ces mises à jour proviennent d’horloges atomiques plus stables situées au sol, mais qui sont très volumineuses (souvent de la taille d’un réfrigérateur) et ne sont pas conçues pour résister aux contraintes physiques d’un séjour dans l’espace. 

La NASA, toujours en pointe en matière de technologie sur les horloges atomiques. 

Jusqu’à 50 fois plus stable que les horloges atomiques des satellites GPS, l’horloge atomique de l’espace lointain de la NASA est censée être l’horloge atomique la plus stable jamais envoyée dans l’espace. Elle atteint cette stabilité en utilisant des ions de mercure.

Les ions sont des atomes qui ont une charge électrique nette, au lieu d’être électriquement neutres. Dans toute horloge atomique, les atomes sont contenus dans une chambre à vide, et dans certaines de ces horloges, les atomes interagissent avec les parois de la chambre à vide. Les changements environnementaux tels que la température provoquent alors des changements similaires dans les atomes et entraînent des erreurs de fréquence. De nombreuses horloges atomiques utilisent des atomes neutres, mais comme les ions de mercure ont une charge électrique, ils peuvent être contenus dans un « piège » électromagnétique pour empêcher cette interaction de se produire, ce qui permet à l’horloge atomique de l’espace lointain d’atteindre un nouveau niveau de précision. 

Pour les missions vers des destinations lointaines comme Mars ou d’autres planètes, une telle précision rend possible une navigation autonome avec un minimum de communication vers et depuis la Terre.

– Une amélioration considérable de la façon dont les vaisseaux spatiaux sont actuellement dirigés !

Grâce à cet article de blog, vous savez maintenant ce qu’est une horloge atomique et son utilité. Vous êtes parfaitement au fait de l’avancée technologique qu’elles impliquent dans notre quête de l’exploration de l’espace.

Ces avancées technologiques ne s’obtiennent que dans un cadre propice à l’épanouissement collectif et personnel. C’est pourquoi, en partenariat avec Jardin des statues, nous vous proposons de découvrir une gamme de magnifiques statues entièrement confectionnées à la main, que vous pourrez placer sur votre bureau ou en décoration afin de moderniser votre intérieur.

FAQ : 

• Pourquoi les horloges atomiques sont-elles importantes dans la navigation spatiale ? Elles permettent de calculer avec une extrême précision la position et la trajectoire des vaisseaux spatiaux.
• Comment fonctionnent les horloges atomiques ? Elles comptent les oscillations naturelles des atomes pour mesurer le temps avec une précision extrême.
• Quelle est la précision d'une horloge atomique ? Elles peuvent avoir une erreur de seulement une seconde sur une période pouvant atteindre 100 millions d’années.
• Pourquoi ne peut-on pas utiliser des horloges normales pour la navigation spatiale ? Les horloges normales ne sont pas assez précises pour les mesures extrêmement précises requises en navigation spatiale.
• Quel est le rapport entre les atomes et les horloges ? Les atomes fournissent une fréquence d'oscillation stable et précise qui est utilisée pour mesurer le temps dans les horloges atomiques.
• Comment les horloges atomiques améliorent-elles la navigation spatiale ? Elles permettent une navigation autonome plus précise des vaisseaux spatiaux vers des destinations lointaines.
• Quelle est la différence entre une horloge atomique et une horloge traditionnelle ? Les horloges atomiques utilisent les oscillations des atomes pour une mesure du temps beaucoup plus précise que les méthodes traditionnelles.
• Pourquoi les horloges atomiques sont-elles nécessaires pour les satellites GPS ? Elles assurent la précision des mesures de positionnement requises par le système GPS.
• Quelle est la nouveauté de l'horloge atomique développée par la NASA ? Elle est jusqu’à 50 fois plus stable que les horloges atomiques des satellites GPS et conçue pour résister aux contraintes de l’espace.