Les fibres optiques jouent un rôle essentiel dans l’horloge atomique PHARAO

L’horloge atomique à césium PHARAO (Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite), combinée à l’horloge atomique à hydrogène SHM (Space Hydrogen Maser), forment l’ensemble des horloges atomiques spatiales ACES de l’ESA. Le programme spatial ACES/PHARAO de l’ESA est le résultat d’une collaboration entre plusieurs organisations et laboratoires européens.

Pour assurer la précision de son chronométrage, l’horloge atomique PHARAO a été positionnée à l’extérieur du laboratoire européen Columbus à bord de la Station Spatiale Internationale en 2016. En effet, dans l’espace, le fonctionnement en micropesanteur permet d’obtenir une base de temps beaucoup plus stable et précise qu’en présence de gravité comme c’est le cas sur Terre.

PHARAO n’est pas la seule horloge atomique dans l’espace. Elle est accompagnée du SHM (Space Hydrogen Maser) qui utilise des atomes d’hydrogène comme référence de fréquence et offre une meilleure stabilité mais sur une durée plus courte. En couplant les deux horloges, ACES fournit aux scientifiques une référence de temps unique et très stable dans l’espace.

L’ horloge à réseau optique au césium refroidi par laser PHARAO a été développée par l’agence spatiale française CNES et le laboratoire SYRTE.

L’objectif principal de cette horloge atomique est d’atteindre une résolution en temps de l’ordre de 10 ps de 1 à 10 jours et une résolution en fréquence de 10^-16 en valeur relative, ce qui correspond à une erreur de temps d’environ une seconde sur 300 millions d’années !

Pour manipuler les atomes de césium, le cœur du système, autrement dit le tube de césium, doit être relié à une source laser par des fibres optiques. De plus, le transfert de temps et de fréquence se fait également par fibre optique.

L’intérêt pour les chercheurs est qu’ils peuvent désormais comparer de nombreuses horloges atomiques différentes basées sur des atomes autres que le césium, à différents niveaux de gravité puisqu’ils ont maintenant accès aux données de PHARAO et de SHM à 400 km d’altitude, ainsi qu’à des horloges au sol très performantes développées par les laboratoires de divers pays dans le monde.

La comparaison des horloges permettra aux scientifiques de tester les théories d’Albert Einstein sur l’espace et le temps, mais aussi d’autres théories de la physique fondamentale, avec une précision impossible à obtenir dans les laboratoires sur Terre.

C’est dans ce contexte, et sous l’égide d’EADS Sodern, que SEDI-ATI a été impliquée dans le projet PHARAO. La société a été choisie pour son expertise dans le choix des fibres optiques et des matériaux ayant les propriétés requises pour l’environnement spatial, ainsi que pour son savoir-faire dans l’assemblage des composants de la fibre : collimateurs, câbles, fibres à maintien de polarisation, connecteurs FC de type NASA avec des matériaux à très faible dégazage.

Différents domaines d’applications sont concernés : Temps Atomique International (TAI), Temps Universel Coordonné (UTC), géodésie, Interférométrie à très longue base (VLBI), Propagation atmosphérique des signaux micro-ondes, et soutien des applications impliquant la télédétection via le réseau GNSS, etc.