C’est une étape importante pour le projet PHARAO : fin juin 2026, l'équipe CNES a prononcé la fin de recette en vol de l’instrument. Autrement dit, la phase de tests et de vérifications des performances de PHARAO (pour Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite) est à présent terminée. Cette horloge à atomes froids française, fixée à l’extérieur du module Columbus de la Station spatiale internationale et instrument principal de la mission ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) de l’Agence spatiale européenne, fonctionne désormais de manière optimale. Il s’agit même, à l’heure actuelle, de la meilleure horloge spatiale au monde.
Pour mener à bien cette étape et atteindre ce degré de précision, il a fallu aux équipes au sol situés à Toulouse pas moins de six mois de réglages, suivis de huit mois de comparaisons continues avec les horloges au sol ! Quelques ajustements restent à réaliser sur l’ensemble d’ACES, mais Benoît Léger, chef de projet en exploitation de PHARAO, est confiant.
Les équipes du CNES et les industriels associés peuvent être fiers du travail réalisé. Cet instrument est l’horloge la plus précise jamais envoyée dans l’espace. De plus, le fonctionnement optimal de l’instrument est une belle preuve de l'expertise française !
- Chef de projet en exploitation de PHARAO au CNES
Un instrument pour mieux comprendre la relativité
Lancée en avril 2025 puis installée à l’extérieur de l'ISS, la mission européenne ACES a pour objectif de mesurer avec une précision inégalée une prédiction étrange de la relativité générale : la masse d’un objet modifie l’écoulement du temps dans son entourage. Plus vous êtes proche de cette masse, plus le temps s’écoule lentement. C’est le « décalage vers le rouge » gravitationnel.
La précision de PHARAO est telle (16e décimale) qu’elle peut détecter une modification de l’écoulement du temps pour un changement d’altitude de seulement 1 mètre ! En comparant PHARAO, située dans l’espace à 450 km d’altitude, aux horloges au sol, les scientifiques peuvent tester cet effet de la relativité générale avec une précision inégalée.
Tests en microgravité
C’est à Toulouse, dans les locaux du CNES, que toutes les opérations d’ACES, de PHARAO et de toutes les stations au sol utilisées pour les liens micro-ondes et laser vers la Station spatiale internationale sont menées. Et c’est de là que, le 30 avril 2025, l’horloge atomique française a été allumée pour la première fois en orbite.
Dans un premier temps, l’ensemble des sous-systèmes de PHARAO a été testé. Le 14 mai 2025, l’horloge a pu délivrer ses premières franges de Ramsey (voir visuel ci-dessous). Le signe que l’instrument était en parfait état de fonctionnement !
Les équipes ont ensuite conduit une longue phase de réglages et d’exploration des paramètres optimaux pour le fonctionnement de PHARAO en orbite.
Une spécificité dans la conception de PHARAO est qu’on ne peut tester ses pleines performances qu’en microgravité. L’impesanteur nous permet de manipuler les atomes froids d’une manière qui est totalement inaccessible au sol. Nous pouvons donc explorer des régimes de fonctionnement de l’horloge que personne n’avait pu étudier sur Terre.
- Ingénieur système PHARAO au CNES
Le temps mesuré par PHARAO a ensuite été comparé avec le temps mesuré par des horloges au sol. Cette étape a duré de novembre 2025 à juin 2026 afin d’atteindre la précision requise pour ce jalon. « Au cours de cette phase, nous avons cumulé des données qui ont à la fois contribué à l’évaluation des performances de PHARAO et aux objectifs scientifiques de la mission », précise François-Xavier Esnault.
Qui dit spatial, dit surprises
Seul bémol, d’autres éléments de l’ensemble ACES ne se sont pas comportés comme prévu. En particulier, le Maser SHM, l’autre horloge atomique d’ACES, n'a pas délivré de signal à la suite du lancement. Son absence a rendu plus délicate et a rallongé l’évaluation des performances en vol de PHARAO.
« Un projet spatial se passe rarement exactement comme on l’avait imaginé une fois en orbite, précise Benoît Léger. Mais ce qui est fascinant, c’est que même sans avoir accès au satellite, ou en l’occurrence, à l’instrument, les équipes au sol, ingénieurs et scientifiques arrivent toujours à trouver des solutions ! »
Après plusieurs mois de recherches et d’essais, l’équipe ACES a été récompensée de ses efforts au milieu de l’hiver : le Maser a délivré un signal pour la première fois en orbite !
J’étais en salle de contrôle ce jour-là. On était en train de faire un nouveau test sur SHM quand tout à coup un signal atomique est apparu ! On a dû regarder la télémesure trois fois pour réaliser. Puis tout le monde a sauté de joie. C’était l’euphorie totale dans la salle de contrôle ! Ça faisait près de 10 mois qu’on tentait des choses, on commençait tous à perdre espoir.
- Responsable des opérations ACES pour Telespazio, industriel prestataire du CNES
Depuis, les analyses se sont poursuivies et permettent petit à petit de comprendre l'origine de l'anomalie. En définitive, les équipes ont pu récemment intégrer le Maser dans les mesures scientifiques en renfort de PHARAO.
Prochaine étape : la revue de fin de recette en vol d’ACES, qui marque le passage de l’ensemble d’horloges à une phase d’exploitation pure. « Cela veut dire que les éléments principaux de la mission sont fonctionnels et opérationnels », précise Benoît Léger.
Un ensemble d’horloges spatiales dont les « horlogers » sont au sol
On pourrait penser que, comme ACES est fixé à l’extérieur la Station spatiale internationale, les astronautes qui se trouvent à l’intérieur – comme récemment, la Française Sophie Adenot – ont un rôle à jouer dans le pilotage de ses instruments. Mais non ! Toutes les opérations sont effectuées depuis la Terre, plus précisément depuis le CNES à Toulouse. Il n’y a même pas eu besoin de sortie extravéhiculaire pour installer ACES : c’est le bras robotique canadien de la Station qui s’en est chargé ! Les astronautes ont simplement eu à appuyer sur le bouton « ON » pour mettre l’ensemble d’horloges en marche.
