Pharao (Projet d’Horloge À Refroidissement d’Atomes en Orbite) est une horloge atomique ultra-précise installée sur la Station spatiale internationale en 2025. Son objectif est de mesurer le temps avec une extrême précision pour tester certaines prédictions de la relativité générale.

Concept

Grâce aux théories d’Albert Einstein, on sait que le temps est relatif. Il s’écoule différemment sur Terre et dans l’ISS à 400 km d’altitude. Mais cette théorie n’a pas encore été mesurée avec précision. Et c’est là tout l’objectif de l’horloge atomique Pharao : mesurer le ralentissement du temps avec une exactitude de 10^-16, ce qui correspond à une dérive (un décalage dans la mesure) de seulement une seconde toutes les 300 millions d’années.

Pharao a été fixée à l’extérieur du laboratoire européen Columbus de l’ISS en 2025, par l’intermédiaire du bras robotisé canadien. Elle doit rester ainsi en orbite pendant 30 mois a minima.

Fonctionnement

Pharao, développée et intégrée au Cadmos, est une horloge atomique : elle se base sur la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron lorsqu’il passe d’un niveau d’énergie à un autre, une fréquence immuable, connue et universelle. Selon le système international d’unité, une seconde correspond ainsi à la durée de 9 192 631 770 ondulations d’une vibration de l’atome de césium.

Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes utilisent des atomes de césium, refroidis par laser, comme Pharao. On parle d’horloges à atomes froids. Le froid permet en effet de ralentir drastiquement la vitesse des atomes (qui bougent dans tous les sens), ce qui permet de les observer plus longtemps et donc de les compter avec davantage de précision. Pharao, orbitant à 400 km au-dessus de la Terre, se trouve dans un potentiel gravitationnel différent de celui des horloges terrestres. Autrement dit, cela permet de faire la comparaison avec les horloges au sol. Et donc de vérifier que Pharao bat le temps moins vite dans l’espace que sur Terre.

Pour cela, deux systèmes ont été développés : un lien par microonde qui communique le temps au sol lorsque l’ISS survole une horloge atomique terrestre, et un lien laser pour définir les « tops » de synchronisation entre le sol et l’espace.

Après son installation sur l’ISS, une grosse partie des activités du Cadmos a consisté à régler les multiples paramètres (de l’ordre de la centaine) de l’horloge, pour assurer son fonctionnement optimal puis à la surveiller.

Recherches et applications

Au-delà de la physique fondamentale, le programme Pharao/ACES a des objectifs scientifiques et techniques concrets. Il permettra de valider de nouvelles technologies spatiales et d’affiner les échelles de temps mondiales. Il sera possible de comparer, avec une précision inégalée, des horloges atomiques terrestres, partout à la surface de la Terre, ce qui aura un impact dans des domaines comme la métrologie (la science des mesures), la géodésie (l’étude des dimensions de la Terre) et la gravimétrie (étude de la pesanteur).

Ressources

• Pharao sur notre bibliothèque de projets
• Cold atoms in space: community workshop summary and proposed road-map (PDF)

Partenaires

• ESA
• Laboratoire Kastler Brossel (LKB) attaché à l’École normale supérieure de Paris
• Le laboratoire des Systèmes de Référence Tempes et Espace (LNE/SYRTE, aujourd’hui Laboratoire Temps et Espace)
• Bureau International des Poids et Mesures

Contacts

Chef de projet CNES
Didier Massonnet
Courriel : Didier.massonet at cnes.fr

Responsable thématique Physique Fondamentale au CNES
Martin Boutelier
Courriel : martin.boutelier at cnes.fr