La France détient la meilleure horloge en orbite. Le CNES, l’agence spatiale française, a annoncé le 23 octobre que PHARAO, son horloge à atomes froids fixée à l’extérieur de la Station spatiale internationale, avait achevé sa période de tests et de vérifications. Verdict : elle fonctionne de manière optimale et c’est, à ce jour, la meilleure horloge spatiale au monde.
Le temps mesuré à la 16e décimale
PHARAO, pour Projet d’horloge atomique par refroidissement d’atomes en orbite, mesure le temps avec une précision qui atteint la 16e décimale. C’est assez pour détecter un changement dans l’écoulement du temps lorsque l’altitude varie d’un seul mètre, selon le CNES.
Le principe tient de la physique de pointe. L’horloge utilise des lasers pour refroidir des atomes de césium jusqu’à près de −273 °C, tout près du zéro absolu, ce qui permet de mesurer le temps et les fréquences de façon extrêmement précise, explique l’Agence spatiale européenne (ESA). Sur Terre, une horloge à fontaine de césium mesure deux à trois mètres de haut, pour laisser aux atomes la place de monter puis de retomber. En impesanteur, les atomes peuvent être lancés plus lentement, sur une courte distance : c’est ce qui a permis de réduire fortement la taille de PHARAO sans perdre en stabilité.
Six mois de réglages, huit mois de comparaisons
L’horloge a été lancée le 21 avril 2025 à bord d’une fusée Falcon 9, dans la mission de ravitaillement CRS-32 de SpaceX, puis installée le 25 avril sur la face du module européen Columbus tournée vers la Terre, d’après l’ESA. Le 30 avril 2025, PHARAO a été allumée pour la première fois en orbite, depuis Toulouse. Le 14 mai, elle délivrait ses premières « franges de Ramsey », le signe que l’instrument était en parfait état de marche.
Il a ensuite fallu six mois de réglages, puis huit mois de comparaisons continues avec des horloges au sol, de novembre 2025 à juin 2026. Fin juin, l’équipe du CNES a prononcé la fin de la recette en vol. « Cet instrument est l’horloge la plus précise jamais envoyée dans l’espace », résume Benoît Léger, chef de projet en exploitation de PHARAO au CNES, pour qui son bon fonctionnement est « une belle preuve de l’expertise française ».
Une partie de ces performances ne pouvait pas être vérifiée avant le lancement. « L’impesanteur nous permet de manipuler les atomes froids d’une manière qui est totalement inaccessible au sol », explique François-Xavier Esnault, ingénieur système PHARAO au CNES. Les équipes ont donc exploré en orbite des régimes de fonctionnement que personne n’avait pu étudier sur Terre.
Einstein mis à l’épreuve à 450 km
PHARAO est l’instrument principal d’ACES, pour Atomic Clock Ensemble in Space, une mission de l’ESA dont l’industriel principal est Airbus. Son but : mesurer avec une précision inégalée une prédiction étrange de la relativité générale d’Einstein. La masse d’un objet ralentit l’écoulement du temps autour de lui, et plus on s’en approche, plus le temps passe lentement. C’est le « décalage vers le rouge » gravitationnel. « Einstein a eu le génie de ne plus considérer le temps comme quelque chose d’absolu mais comme une dimension », rappelait Martin Boutelier, responsable de la thématique physique fondamentale au CNES, dans un entretien publié par l’agence le jour des premières données de PHARAO.
En comparant PHARAO, à 450 km d’altitude, avec des horloges au sol, les scientifiques peuvent tester cet effet comme jamais. ACES est relié à un réseau d’horloges au sol en Europe, au Royaume-Uni, aux États-Unis et au Japon, par un lien micro-ondes et un lien laser. Associée à l’autre horloge d’ACES, elle atteint une précision d’une seconde sur 300 millions d’années, selon l’ESA. La mission doit aussi servir à rechercher d’éventuelles variations des constantes fondamentales de la physique et à traquer la matière noire.
Toulouse aux commandes, sans astronaute
Toutes les opérations d’ACES et de PHARAO sont menées depuis le CNES à Toulouse, avec les stations au sol qui gèrent les liaisons vers la Station spatiale. Les astronautes à bord, comme récemment la Française Sophie Adenot, n’ont aucun rôle dans le pilotage, souligne le CNES. Il n’y a même pas eu de sortie dans l’espace : c’est le bras robotique canadien de la Station qui a extrait ACES de la capsule Dragon pour la fixer sur Columbus.
Le maser qui s’est réveillé
Tout ne s’est pas passé comme prévu. L’autre horloge d’ACES, le maser à hydrogène SHM fabriqué en Suisse par Safran Timing Technologies, n’a délivré aucun signal après le lancement. Son absence a compliqué et allongé l’évaluation de PHARAO. Puis, après des mois d’essais, le maser a fini par répondre au milieu de l’hiver.
« On a dû regarder la télémesure trois fois pour réaliser. Puis tout le monde a sauté de joie », raconte Estelle Pelat, responsable des opérations ACES chez Telespazio, prestataire du CNES. « Ça faisait près de 10 mois qu’on tentait des choses, on commençait tous à perdre espoir. » Les équipes ont depuis intégré le maser aux mesures scientifiques, en renfort de PHARAO, même si l’origine exacte de l’anomalie reste encore à comprendre complètement.
Encore quelques réglages
Quelques ajustements restent à faire sur l’ensemble d’ACES. Prochaine étape, la revue de fin de recette en vol, qui marquera le passage à une phase d’exploitation pure. Les mesures scientifiques ne font donc que commencer, et les résultats sur la relativité prendront du temps à être publiés.
Mais le cap est franchi. Conçue et pilotée en France, PHARAO tourne autour de la Terre seize fois par jour et donne l’heure mieux que toutes les horloges envoyées avant elle.
