Contexte

Depuis la théorie de la relativité générale, en 1915, on sait que le temps ne s’écoule pas partout à la même vitesse. Albert Einstein a ainsi énoncé que l’écoulement du temps dépendait de la gravité, et que celui-ci ralentissait à proximité de toute masse. Mais on n’avait pas encore mesuré cet effet avec précision. 

C’est toute l’ambition du projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite Pharao. Il sera en capacité de le faire en microgravité, dans l’environnement de la Station spatiale internationale à 400 km au-dessus de la Terre. Développé par la communauté scientifique réunie autour du CNES, cet instrument de nouvelle génération s’inscrit dans le cadre de la mission de l’ESA ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). 

Les horloges atomiques au sol constituent à ce jour les instruments les plus précis pour mesurer le temps qui passe, avec une dérive de seulement 1 seconde tous les 50 millions d’années. Pharao, qui opérera dans l’espace, depuis l’ISS, aura une exactitude de 10^-16, ce qui correspond à une dérive de 1 seconde tous les 300 millions d’années ! Derrière cette expérience inédite de physique fondamentale, des applications concrètes sont attendues dans plusieurs domaines. 

Le programme ACES/Pharao a des objectifs scientifiques à la fois dans le domaine de la physique fondamentale et dans celui de la technique. Les aspects fondamentaux ont trait à la physique des horloges à atomes froids. 

Pour la première fois, les atomes froids seront manipulés en microgravité, dans des conditions qui ne sont pas accessibles sur Terre, pour réaliser des tests de physique fondamentale (relativité, possible dérive de constantes fondamentales dans le temps). L’intérêt est le suivant : lors du cycle de fonctionnement de l’horloge dans l’environnement spatial, les atomes refroidis tombent en chute libre, ce qui facilite la mesure de la seconde. 

En plus de Pharao, la plateforme ACES embarque un ensemble de nouvelles technologies qui permettront à la communauté scientifique de bénéficier d’une référence de temps avec une stabilité inégalée.

Grâce à ACES, l'inter-comparaison d'horloges atomiques terrestres distantes deviendra possible, et très utile, y compris si certaines d'entre elles deviennent plus précises que Pharao. Toute nouvelle horloge au sol augmentera l'intérêt d'ACES/Pharao, car elle pourra être soumise à une comparaison croisée avec n'importe quelle autre horloge sur Terre.

Cette possibilité pourra être exploitée dans différents domaines de recherche : la physique fondamentale (relativité générale), la métrologie temps-fréquence, mais aussi la géodésie (étude des dimensions de la Terre et de son champ de pesanteur) et la gravimétrie (étude de la pesanteur).

Déroulé du projet

ACES/Pharao doit être lancé en avril 2025 par le lanceur américain Falcon 9. Le transfert vers l’ISS s’effectuera à bord du véhicule américain Dragon 2. Une fois le module arrimé à l'ISS, ACES sera extrait par un bras robotisé et déposé temporairement dans la section américaine de l'ISS. Il sera ensuite amené à sa destination finale à l'extérieur du module Columbus.

ACES opérera à l'extérieur du module européen Columbus en position nadir pour pouvoir transmettre des signaux micro-ondes vers les stations connectées aux horloges au sol. Columbus fournira les liaisons de transfert de données et l'énergie à ACES.

La mission se déroule en trois phases : 

• la recette en vol durant plusieurs semaines, jusqu’à la validation de la charge utile.
• la caractérisation de la charge utile, qui consiste à évaluer les performances de Pharao. L'horloge au césium sera caractérisée par la comparaison à bord avec une autre horloge atomique présente à bord, le maser spatial à hydrogène (SHM), et la comparaison avec une horloge au sol (long terme).
• l’utilisation opérationnelle : les paramètres de Pharao seront alors positionnés à leur valeur optimale et le lien sera synchronisé de manière à avoir un temps de base ACES avec les meilleures performances, aussi bien sur le court/moyen terme que sur le long terme. Pendant cette phase, l'échelle de temps sera comparée avec celle des horloges au sol.

La phase de validation et d'utilisation est prévue pour durer 18 mois. Les six premiers mois seront dédiés à la caractérisation des horloges et à l’analyse de la capacité à comparer ces horloges avec d’autres instruments au sol. Cette phase sera suivie par une phase opérationnelle durant laquelle ces comparaisons seront faites avec des utilisateurs partout dans le monde. Le fonctionnement d'ACES pourra être étendu à 30 mois.

Organisation

Le CNES a assuré le développement et l'intégration de l'horloge Pharao, qui est la principale contribution française au projet ACES (Atomic Clock ensemble in Space) de l’ESA. Dans ACES, Pharao est couplé avec un maser actif, SHM, horloge atomique à hydrogène fournie par la Suisse. Les deux horloges sont complétées par un lien micro-ondes (MWL), instrument de transfert de temps d'une précision inégalée.

Les laboratoires français ou internationaux impliqués dans Pharao sont :

• Le Laboratoire Kastler-Brossel (LKB) attaché à l'École Normale Supérieure de Paris
• Le Laboratoire des Systèmes de Référence Temps et Espace (LNE/SYRTE), devenu Laboratoire Temps et Espace (LTE) depuis le 1^er janvier 2025
• Le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)

Le programme d’exploitation des données de la mission est ouvert à une communauté internationale constituée d’utilisateurs intéressés par la comparaison de leurs horloges atomiques au sol avec le signal d'horloge d'ACES et par l'analyse des données scientifiques. Cette coopération scientifique est organisée au sein un groupe de travail international ACES (ACES International Working Group).