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Comment une horloge atomique de la taille d'un grille-pain pourrait ouvrir la voie à l'exploration de l'espace lointain

Tôt hier matin, la NASA a lancé une fusée SpaceX Falcon Heavy en orbite avec un mélange de missions scientifiques à son bord. Une des charges utiles les plus intrigantes était une horloge, qui fonctionnera pendant environ un an en faisant le tour de la planète. Mais il ne s’agit pas d’une horloge ordinaire: l’horloge atomique dans l’espace profond est une technologie qui pourrait rendre la navigation dans l’espace profond beaucoup plus facile à l’avenir.

Kasandra Brabaw de Space.com rapporte que la plupart des sondes envoyées dans le cosmos sont suivies depuis la Terre via des ondes radio qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Un signal est envoyé depuis la Terre et immédiatement renvoyé au contrôle de mission, permettant ainsi aux gestionnaires de la sonde de calculer sa position exacte en fonction du temps mis par le signal pour les atteindre. Ce processus repose sur le réseau Deep Space Network de la NASA, un ensemble d'antennes radio capables de gérer un nombre aussi important de trafic spatial à un moment donné.

Si les sondes avaient des horloges suffisamment stables et précises pour leur permettre de tracer leur propre parcours, elles pourraient toutefois effectuer une partie de cette navigation de manière autonome, rapporte Jonathan Amos à la BBC.

"La navigation autonome à bord signifie qu'un vaisseau spatial peut effectuer sa propre navigation en temps réel sans attendre que les navigateurs nous fassent indiquer la direction à suivre", a déclaré l'enquêteur principal adjoint Jill Seubert lors d'une conférence de presse. Les engins spatiaux «autonomes» sont également un élément clé de la présence humaine sur Mars. "Et avec cette capacité, un vaisseau spatial à équipage humain peut être livré en toute sécurité sur un site d'atterrissage avec moins d'incertitude sur leur trajectoire."

Mais même la plus belle Rolex ne la coupera pas dans l’espace. Les cristaux de quartz oscillent à une fréquence régulière lorsque le courant électrique les traverse, raison pour laquelle ils sont habitués à surveiller le temps dans les horloges. Ils sont assez précis pour se lever pour aller travailler ou pour prendre un train, mais ils ne sont pas assez précis pour naviguer seuls dans l'espace lointain. Ils peuvent perdre une milliseconde complète en six semaines, ce qui serait désastreux pour une sonde spatiale.

Pour obtenir la précision d'un milliardième de seconde nécessaire pour survoler le cosmos, il faut une horloge atomique, un gadget qui entraîne son cristal de quartz aux oscillations de certains atomes. Les électrons autour de ces atomes occupent des niveaux d'énergie distincts, ou orbites, et il faut une secousse électrique précise pour les amener au niveau d'énergie suivant. "Le fait que la différence d'énergie entre ces orbites soit aussi précise et stable est vraiment l'ingrédient clé des horloges atomiques", déclare Eric Burt, physicien en horloge atomique au laboratoire de propulsion de la NASA, dans un communiqué de presse. "C'est la raison pour laquelle les horloges atomiques peuvent atteindre un niveau de performance supérieur aux horloges mécaniques."

Dans une horloge atomique, la fréquence de l'oscillateur à quartz est réglée avec précision pour correspondre à l'énergie nécessaire pour éjecter les électrons à un nouveau niveau d'énergie. Lorsque le quartz vibre à la bonne fréquence, les électrons passent au niveau d'énergie suivant. S'ils ne le font pas, l'horloge sait que la fréquence est éteinte et peut se corriger elle-même, processus qui se produit toutes les quelques secondes.

Actuellement, la plupart des horloges atomiques terrestres ont la taille d'un réfrigérateur. Entrez dans l'horloge atomique du Deep Space, avec laquelle les ingénieurs de la NASA bricolent depuis près de 20 ans. Le gadget, de la taille d’un grille-pain, utilise des ions mercure chargés pour conserver son oscillateur à quartz, et ne perd qu’une nanoseconde sur quatre jours. Il faudrait environ 10 millions d’années à la pendule, ce qui la rend environ 50 fois plus stable que les horloges précises utilisées dans la navigation par satellite GPS.

L’horloge est actuellement en orbite terrestre basse et s’allumera dans quatre à sept semaines. Après trois ou quatre semaines d'opération, les chercheurs analyseront ses performances préliminaires et donneront un verdict final sur son fonctionnement dans l'espace après un zoom autour de la planète pendant environ un an.

Si l'horloge est suffisamment stable, selon une déclaration de la NASA, elle pourrait commencer à apparaître dans un vaisseau spatial dès les années 2030. Que cette version survive ou non, des horloges atomiques ou une technologie similaire seront essentielles dans les futures missions spatiales dans d'autres mondes.

«L’horloge atomique dans l’espace profond aura la capacité d’aider à la navigation, non seulement localement, mais également sur d’autres planètes», a déclaré Burt. "Une façon de penser est comme si nous avions GPS sur d'autres planètes."

Parmi les autres expériences mises en orbite avec l'horloge, citons la mission Green Propellant Infusion, qui teste un système utilisant un carburant spatial haute performance non toxique, et l'expérience Enhanced Tandem Beacon Experiment, qui explorera les bulles dans les couches chargées électriquement. de l'atmosphère terrestre qui peut parfois interférer avec les signaux GPS.

Comment une horloge atomique de la taille d'un grille-pain pourrait ouvrir la voie à l'exploration de l'espace lointain