Une horloge si précise qu’elle peut mesurer la gravité

Publié le vendredi 7 décembre 2018 à 13 h 23
Mis à jour aujourd’hui à 5 h 15

lasers et des atomes d’ytterbium. Photo : N. Phillips/NIST

Pour mesurer le temps aux limites de la physique, des scientifiques ont perfectionné des horloges atomiques qui possédaient déjà une précision remarquable. Leur nouvelle variante de ces appareils possède une stabilité si grande qu’elle pourra mesurer les distorsions de l’espace-temps.

Un texte de Renaud Manuguerra-Gagné

Notre monde moderne est obsédé par le passage du temps, bien que cette obsession soit relative à notre occupation. Pour la vaste majorité de la population, lire l’heure sur une montre ou un cellulaire est suffisant.

Si l’on est un astrophysicien cherchant à comprendre les trous noirs, une précision encore plus poussée sera toutefois nécessaire.

La création d’horloges plus précises n’a rien d’exceptionnel. De telles améliorations apparaissent à intervalles réguliers dans la littérature scientifique. Or, l’annonce qui vient d’être faite par des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie aux États-Unis change la donne.

Ces derniers ont développé une horloge qui a fracassé les records de stabilité, de reproductibilité et d’incertitude, caractéristiques qui servent à établir la précision des horloges atomiques. Sa précision est telle qu’elle pourrait même mesurer l’influence de la gravité terrestre sur le cours du temps!

Vivre au rythme de l’atome

Toutes les horloges atomiques fonctionnent selon un même principe. Des atomes, maintenus sous vide, sont exposés à certains types de radiations électromagnétiques, telles que des radiations micro-ondes. Ces ondes transmettront une partie de leur énergie aux électrons qui circulent autour des atomes, leur faisant gagner, puis perdre cette énergie à un rythme incroyablement régulier.

Cette oscillation stable d’électrons qui transitent par des niveaux d’énergie élevés et faibles est ce qui permet de définir le temps, un peu comme les battements réguliers d’une horloge à pendule, mais à une échelle immensément plus précise.

Chaque atome oscillera selon un rythme qui lui est propre, et le type d’atome utilisé est ce qui déterminera la précision d’une horloge. En 1967, le Système international d’unités a défini la durée d’une seconde par 9 milliards d’oscillations d’un atome de césium-133.

Cette précision sert de standard à notre système GPS et à l’ensemble des télécommunications mondiales.

Malgré tout, cette horloge n’est pas parfaite et perdra l’équivalent d’une seconde tous les 200 millions d’années. Les chercheurs, en quête de mieux, ont depuis délaissé les atomes de césium pour un atome dont la fréquence d’oscillation est encore plus courte : l’ytterbium.

En maintenant environ 1000 de ces atomes en place grâce à des rayons laser, les chercheurs ont réussi à obtenir une mesure du temps presque 100 fois plus précise que celle des horloges au césium. Cette précision est telle que, selon les chercheurs, cette horloge ne perdrait qu’une seconde tous les 14 milliards d’années, une période qui dépasse l’âge actuel de l’Univers.

Aux extrêmes de l’espace-temps

Une horloge de cette précision est bien sûr au-delà des besoins humains. Ce n’est toutefois pas dans ce contexte qu’elle sera utile, mais pour mesurer l’influence de la gravité.

L’une des plus grandes découvertes d’Albert Einstein est que le temps est relatif et peut être influencé, d’un observateur à l’autre, par la vitesse et la gravité.

Plus quelqu’un s’approche de la vitesse de la lumière, ou s’approche d’un objet massif comme un trou noir, plus le temps passera lentement comparativement à quelqu’un qui serait resté sur Terre; ce concept a largement été illustré par des films de science-fiction, comme Interstellaire.

Or, même une planète comme la Terre peut exercer cet effet. Plus on se rapproche de son centre, plus le temps sera ralenti, alors qu’à l’inverse, plus on s’élève, plus il sera accéléré. Ces changements sont toutefois infimes et totalement imperceptibles pour un humain.

Toutefois, pour l’horloge la plus précise du monde, cette différence sera mesurable. La précision des horloges atomiques utilisant l’ytterbium permettra de détecter l’infime influence de la gravité terrestre. Si l’on positionnait ces dernières partout autour de la Terre, il serait techniquement possible de mesurer les différences de la gravité terrestre au centimètre près.

Du même coup, ces horloges pourraient être utiles non seulement pour détecter des phénomènes célestes tels que des ondes gravitationnelles ou de la matière noire, mais aussi pour signaler des phénomènes terrestres comme les mouvements du sol engendrés par les tremblements de terre ou les éruptions volcaniques.

Selon les chercheurs, il sera toutefois nécessaire de raffiner nos connaissances sur la gravité terrestre avant de réussir à faire bon usage d’appareils aussi précis.

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Les travaux de physiciens français pourraient bien redéfinir l’unité de la seconde dans le système international (SI).

Radio-Canada avec Agence France-Presse

Actuellement, la seconde est calculée par le nombre de périodes de radiation entre deux niveaux d’excitation du césium, un phénomène appelé « jet de césium ».

Le chercheur Rodolphe Le Targat et ses collègues du laboratoire Syrte (Systèmes de Référence Temps-Espace) ont construit deux horloges dites « à réseau optique », qui fonctionnent avec des atomes de strontium. Ils ont démontré qu’elles étaient en accord à un niveau surpassant la précision de la définition actuelle de la seconde.

Le saviez-vous?

Jusqu’au milieu du 20e siècle, la définition de l’unité fondamentale de temps était basée sur la rotation de la Terre. La mise au point, au milieu des années 50, des horloges atomiques a conduit à une nouvelle définition de la seconde en 1967, basée sur la période d’oscillation de l’atome de césium.

Toujours en vigueur de nos jours, cette définition pourrait bien changer avec l’apparition, depuis une dizaine d’années, d’horloges à réseau optique dans lesquelles les atomes sont piégés dans un réseau, ou piège de lumière.

«L’idée c’est d’aller vers des signaux qui oscillent de plus en plus en rapidement.»

—Rodolphe Le Targat, Syrte

L’équipe a ainsi construit deux horloges fonctionnant avec des atomes de strontium, dont la période d’oscillation est dans le domaine optique, alors que l’atome de césium oscille dans le domaine micro-ondes.

Les fréquences dans le domaine optique sont beaucoup plus élevées, ce qui réduit l’impact des possibles erreurs de comptage.

Les scientifiques ont démontré d’une part que ces deux horloges à réseau optiques avaient une connexion très stable avec les horloges au césium utilisées pour établir le temps officiel. Mais aussi, pour la première fois, qu’elles étaient en accord entre elles, à un niveau surpassant la définition actuelle de la seconde.

Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications et pourraient bien conduire à une redéfinition de la seconde.

D’autres types d’horloges, comme les optiques à ions, continuent de se développer. M. Le Targat reste prudent sur une éventuelle redéfinition de la seconde.

«Le souci majeur des comités qui sont responsables d’une possible redéfinition de la seconde est de ne pas précipiter les choses.»

—M. Le Targat

Contexte

La précision avec laquelle l’unité fondamentale de temps est définie est l’enjeu de nombreux travaux en physique fondamentale. Elle a aussi des répercussions directes au quotidien. Ce sont par exemple les horloges embarquées dans les satellites des systèmes de positionnement, comme l’américain GPS ou l’Européen Galileo, qui déterminent la précision de la localisation au sol.
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Une horloge atomique d’une précision inégalée sera installée à bord de la Station spatiale internationale en 2013. Elle sera placée à l’extérieur du laboratoire européen Columbus.

Le temps sera bientôt compté à partir de l’espace.

Un accord a été signé entre l’Agence spatiale européenne (ASE) et le Centre français d’études spatiales (CNES) en prévision de l’installation sur la Station spatiale internationale (SSI) en 2013 d’une horloge atomique de précision inégalée.

L’horloge Pharao ne perdra qu’une seconde toutes les 300 millions d’années, contre une seconde toutes les 50 millions d’années pour les horloges atomiques terrestres actuelles.

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Elle sera placée à l’extérieur du laboratoire européen Columbus, arrimé à la SSI à environ 400 kilomètres de la Terre.

L’ASE explique que Pharao utilisera des atomes froids de césium. L’acronyme signifie Projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite.

L’ensemble d’horloges atomiques spatiales L’ensemble d’horloges atomiques spatiales Photo : ASE
Associée à une autre horloge atomique, le maser spatial à hydrogène, elle formera un ensemble d’horloges, et contribuera à l’exactitude et à la stabilité à long terme des échelles de temps mondiales.

Cet ensemble d’horloges atomiques spatiales aidera:
•à développer des applications pour mesurer avec précision la forme du globe terrestre;
•à développer des applications en télédétection;
•à tester avec précision la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Les scientifiques européens expliquent qu’à de très grandes distances dans l’Univers, le temps ne s’écoule pas de la même manière en fonction de l’endroit où l’on se situe.

L’ensemble sera lancé pendant le deuxième trimestre de 2013 à bord du véhicule non habité de transfert japonais ou sur le module de transport commercial SpaceX.

Une fois arrivé en orbite, il sera installé au moyen du bras télémanipulateur sur la plateforme pour charges utiles externes de Columbus, orientée vers la Terre.