Mise à jour 24 Oct 2025.

CONFÉRENCE MENSUELLE

De Didier MASSONNET chef du projet Pharao au CNES.

« PHARAO, UNE HORLOGE ATOMIQUE DANS L'ESPACE »

Organisée par la SAF

En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF

Le Mercredi 15 Octobre 2025 à 19H00

Photos : TM et BZ pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp ,

Rentrer le mot de passe, puis aller à CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2025/2026 ;

Elle s’appelle : PHARAO-CNAM-15-oct-2025.pdf

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent aussi me contacter avant..

La vidéo de la réunion est accessible à cet URL : INACCESSIBLE suite à un énorme problème de son (inaudible) nous avons préféré de ne rien mettre en ligne.

Nous sommes désolés et avons trouvé la source du problème, qui ne se reproduira plus.

Par contre j’ai trouvé sur le Net une conférence similaire de D Massonnet, quoique que légèrement plus ancienne, à la Cité de l’Espace, voici son emplacement : https://youtu.be/c-6-qBR1EPo

Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont accessibles sur la playlist des conférences mensuelles d’Astronomie de notre chaine YouTube SAF.

Nous étions approx 80 dans la salle et 67 à distance sur YouTube, qui après tous les problèmes de son, ont abandonné !

Brigitte Zanda introduit Didier Massonnet pour le public.

En quelques mots pour présenter la conférence : afin de tester la théorie de la Relativité Générale (RG) on a envoyé une horloge atomique sur l’ISS.

En effet d’après Einstein le temps s’écoule moins vite plus on est proche d’une masse (pensez aux Trous Noirs), or l’ISS est à 400 km de la Terre.

Comment va se comporter notre horloge ?

Après une intro sur le Temps et sa mesure D Massonnet nous parlera des performances de Pharao.

LE TEMPS ET SA MESURE.

Si dans les siècles passés on a utilisé des sabliers, clepsydres, horloge à pendule etc.. ce n’était pas assez précis, on s’est alors tourné vers la Terre.

Jusqu’en 1956 la seconde était une fraction du jour solaire (1/86400) puis de 1956 à 1967 la seconde a été définie comme une fraction de l’année tropique (365,2422 jours solaires, intervalle de temps pour que le soleil retourne à la même position).

Mais ce n’était pas encore assez précis (la Terre ralentit et accélère…), aussi à partir de 1967, la seconde a été définie à partir d’horloges atomiques. C’est quoi une horloge atomique ?

Le principe repose sur un principe quantique fondamental : un atome ne peut exister que sous différents niveaux d’énergie bien quantifiés dépendant de la nature de cet atome  

• Lorsqu’il est « illuminé » par un faisceau de photons à la bonne énergie, l’atome peut chasser un électron d’une couche interne ; afin de conserver l’énergie, l’atome réagit en émettant un photon correspondant exactement à la différence d’énergie entre ces couches.
• Le principe d’une horloge atomique devient donc « simple » : « il suffit » de compter la fréquence émise par un atome bien particulier comme elle est constante, elle devient une base de temps. En fait, c’est un peu plus compliqué pour arriver à ce but.
• Néanmoins, c’est à partir de 1967 que la seconde va être définie comme la durée de 9129631770 périodes de la radiation correspondant à la transition de deux niveaux hyperfins de l’état fondamentale du Cs 133. Le Cs 133 est le seul isotope stable (donc non radioactif) du Césium et qui possède un nombre impair de nucléons et d’électrons, on verra que c’est important.
• C’est le temps atomique international (TAI) il est donné par la moyenne de quelques centaines d’horloges atomiques mondiales, il est absolu et totalement déconnecté de la rotation de la Terre et de ses variations éventuelles.
• Il donne naissance à l’UTC, temps universel

LES RELATIVITÉS.

• La Relativité Restreinte (RR), restreinte car elle ne tient pas compte de la gravitation :
  • La vitesse de la lumière « c » est constante quel que soit le référentiel
  • La simultanéité est une notion relative
  • L’écoulement du temps est relatif.
• La Relativité Générale (RG), où accélération et champ de gravité sont identiques dans les effets :
  • Principe d’équivalence des masses pesantes et inertes
  • Description géométrique de l’espace et du temps (géodésiques)
  • L’écoulement du temps est relatif : Le temps des repères accélérés est plus lent que le nôtre…

PHARAO (Projet d'Horloge Atomique à Refroidissement d'Atomes en Orbite) fait partie de l'ensemble ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) construit par Airbus Allemagne, et qui devrait permettre de mesurer le ralentissement du temps entre le sol et l’ISS avec une précision sans précédent (quelque chose de l’ordre de 0,4 10^-10). Construite par le CNES.

Bref, vérifier la Relativité.

De nombreuses expériences de vérification de la relativité générale ont eu lieu dans le passé :

• Déviation de la lumière par le Soleil (éclipse de Sobral 1919 qui rendu Albert célèbre).
• L’avance du périhélie de Mercure (due en fait à l’imposante masse du Soleil)
• Comparaison d’orbites de satellites autour de la Terre.
• Etc … ;;

POURQUOI LE Cs 133 ?

Le Cs 133 a un nombre impair de nucléons et d’électrons, il possède donc un moment magnétique total non nul — autrement dit, un “spin total” non nul.

Ce spin non nul crée une structure hyperfine dans les niveaux d’énergie de l’atome.

Cela permet une interaction entre spins du noyau et de l’électron, l’interaction hyperfine. Elle est constante, forte et nette.

Cette transition hyperfine donne une fréquence de résonance ultra stable (qui servira à définir la seconde)

HORLOGES ET FONTAINES ATOMIQUES.

• L’idée de base :

Une horloge atomique mesure le temps en se basant sur les oscillations naturelles des atomes.

Chaque type d’atome (comme le césium ou le rubidium) oscille à une fréquence extrêmement stable et précise — bien plus que n’importe quel pendule ou quartz.

• Les atomes s’utilisent mieux « froids » :

Les atomes bougent tout le temps, et cette agitation crée de petites erreurs dans la mesure du temps.

Pour les rendre plus précis, on ralentit les atomes en les refroidissant avec des lasers jusqu’à des températures proches du zéro absolu (environ -273 °C). Des atomes “froids” bougent lentement → donc on peut les observer plus longtemps → donc la mesure est plus précise. Cette découverte des atomes froids a valu le prix Nobel à Claude Cohen-Tannoudji en 1997 (note perso : c’était mon prof de MQ à la Fac des Sciences !!).

• Comment ça marche (simplifié) :

On capture des atomes (souvent de césium ou de rubidium) dans un piège magnétique ou optique.

On les refroidit avec des faisceaux laser spéciaux.

On leur envoie des micro-ondes à une fréquence réglable.

On observe comment les atomes réagissent : à une fréquence très précise, ils changent d’état énergétique.

On ajuste la fréquence du signal micro-ondes jusqu’à ce qu’elle corresponde parfaitement à celle de la transition atomique.

Cette fréquence est ensuite utilisée comme référence pour mesurer le temps : une “seconde” est définie à partir d’un nombre fixe de ces oscillations.

Les horloges atomiques à atomes froids sont si stables qu’elles ne perdent qu’une seconde tous les 30 millions d’années (voire mieux pour les versions les plus avancées).

L’oscillateur : produit la fréquence stable mais pas forcément exacte

Le résonateur atomique : la référence absolue, les atomes ont des niveaux d’énergie très précis qui vont servir de base du temps

1. L’oscillateur envoie une fréquence vers le résonateur atomique (flèche verte).
   → On “interroge” les atomes avec un signal micro-onde ou laser.
2. Le résonateur atomique réagit :
   • Si = → les atomes résonnent fortement (transition entre E₁ et E₂).
   • Si ≠ → la résonance est faible.

Cela donne la courbe de résonance (en bas à gauche du schéma) : un pic quand la fréquence est parfaite.

1. L’asservissement (ou boucle de correction) compare la fréquence réelle à la fréquence atomique .
   → Si ce n’est pas exactement la même, il corrige l’oscillateur (flèche rouge “correction”).
2. Résultat : L’oscillateur reste verrouillé sur la fréquence atomique.
   Sa fréquence devient à la fois :
   • Stable (grâce au quartz/laser),
   • Exacte (grâce aux atomes).

Le quartz (ou laser) donne le tempo,
Les atomes disent si le tempo est juste,
Et le système ajuste en continu pour que le rythme reste parfaitement calé sur les atomes.

Mais ces horloges ont été améliorées grâce au principe de « FONTAINE ATOMIQUE » : (texte avec l’aide de l’IA)

Le principe de la fontaine atomique est une amélioration ingénieuse des horloges atomiques à atomes froids — et le nom “fontaine” vient vraiment du fait que les atomes montent puis redescendent comme dans une fontaine d’eau.

•  D’abord, on refroidit les atomes

Comme dans les horloges à atomes froids, on commence par ralentir les atomes avec des lasers pour qu’ils bougent très lentement (quelques centimètres par seconde seulement).

•  Ensuite, on les “lance” vers le haut

On envoie un petit “coup de pouce” lumineux (avec des faisceaux laser) qui projette les atomes vers le haut.

Ils montent, ralentissent sous l’effet de la gravité, puis redescendent. Cela forme une trajectoire en cloche, comme l’eau d’une fontaine.

•  On mesure pendant l’aller-retour

Pendant que les atomes montent puis redescendent, on leur fait traverser deux fois une cavité micro-ondes :

une fois à la montée, une autre fois à la descente.

Entre les deux passages, les atomes “oscillent” librement (ils battent leur propre rythme).

En comparant les deux interactions, on peut mesurer leur fréquence de résonance avec une précision encore meilleure.

•  Pourquoi c’est plus précis ?

Les atomes sont très lents, donc on a plus de temps pour les observer (jusqu’à environ 1 seconde).

Moins de mouvements = moins d’erreurs dues au Doppler ou à la chaleur.

La double mesure (aller + retour) annule plusieurs perturbations.

Résultat : une horloge “à fontaine” est 10 à 100 fois plus précise qu’une horloge atomique classique.

LES CONTRAINTES SPATIALES.

Évidemment positionner un tel instrument ultrasensible dans l’espace va le soumettre à de nombreuses contraintes :

• Ultra vide nécessaire

• Élimination de tout magnétisme parasite

• Qualité du métal

Illustration : ESA Ducros

Quelques infos supplémentaires :

• Sur le vide : 10^-8 Pa (10^-13 fois la pression atmosphérique, mais quand même il reste quelques milliards de molécules d’air !)
• l’ultra vide nécessite seulement du métal (Acier, Titane)
• Sur le magnétisme : tout démagnétiser et multiplier les blindages car la « seconde » est à magnétisme nul !
• Les vibrations de l’ISS jouent sur la précision (quand quelqu’un pratique du sport par exemple à l’intérieur)

Ce 21 Avril 2025, une Falcon 9 a lancé depuis Cape Canaveral en accompagnant de la mission de ravitaillement 32 vers l’ISS, deux horloges atomiques européennes extrêmement précises. C’est l’ensemble ACES  de l’ESA, comprenant les deux horloges PHARAO développée par le CNES SHM (Space Hydrogen Maser) de Safran Timing Technologies en Suisse. Installation sur le module Columbus par le bras Canadarm.

Voici le film explicatif passé lors de la conférence : CNES Pharao l'horloge atomique de l'espace (3 min)

https://youtu.be/rty2p6VjSrE

Un film similaire : https://www.youtube.com/watch?v=JRa-kB7TpmM

LE SYSTÈME PHARAO.

PHARAO fait partie d’un instrument plus vaste appelé ACES, qui comporte deux horloges :

• PHARAO, l’horloge à césium refroidi (ultra précise)
• SHM (Space Hydrogen Maser), une horloge à hydrogène, qui a une grande stabilité à court terme

Ces deux horloges sont “internes” à ACES et peuvent être comparées l’une à l’autre pour vérifier et calibrer PHARAO

Pour pouvoir vérifier que Pharao bat le temps moins vite dans l’espace que sur Terre, il faut pouvoir la comparer de façon très précise à des horloges restées au sol.

• On dispose déjà d’horloges terrestres ultra-précises (fountains atomic clocks, horloges atomiques de métrologie).
• On établit une liaison micro-onde bidirectionnelle (MWL) entre l’horloge spatiale et ces horloges au sol.
• Les signaux échangés permettent de mesurer la désynchronisation du temps propre de PHARAO par rapport au temps propre des horloges au sol.

Le Laboratoire Temps-Espace (LTE) de l’Observatoire de Paris joue un rôle dans l’opération des horloges au sol et leur synchronisation avec les terminaux micro-ondes situés dans les bâtiments de l’observatoire

Plus bas, une image très importante : les premières “franges de Ramsey” observées par l’horloge atomique PHARAO en orbite.

Ces franges prouvent que l’horloge fonctionne correctement dans l’espace.

Méthode de Ramsey :

1. Les atomes froids sont préparés dans un certain état d’énergie (E₁).
2. Ils traversent deux zones micro-ondes séparées dans l’espace (ou dans le temps).
3. Dans chaque zone, ils reçoivent une impulsion électromagnétique.
4. Entre ces deux interactions, les atomes “oscillent librement” à leur propre fréquence naturelle.

Quand la fréquence micro-onde est très proche de la fréquence atomique, les deux impulsions interfèrent :
cela crée un motif d’interférences, qu’on appelle franges de Ramsey.

• L’axe horizontal représente la différence de fréquence entre la micro-onde envoyée et la fréquence de résonance atomique (Δν).
• L’axe vertical correspond à la probabilité de transition des atomes (autrement dit, combien d’atomes ont changé d’état énergétique).

Le pic central (au milieu du graphique, autour de Δν = 0) correspond à la résonance parfaite :

La fréquence micro-onde correspond exactement à la transition atomique.

Les oscillations de part et d’autre sont les franges d’interférences de Ramsey. Plus elles sont fines et bien dessinées → plus la mesure est précise.

On peut en conclure que :

• Les atomes froids de Césium ont bien été lancés et manipulés en microgravité ;
• Les deux impulsions micro-ondes ont interféré correctement (le système fonctionne !).

La vitesse des atomes, indiquée ici comme

montre à quel point ils sont lents — c’est environ 1000 fois plus lent qu’un atome à température ambiante !
Cela confirme le refroidissement laser et le contrôle des atomes dans la fontaine PHARAO.

Ces franges sont la “signature” du battement d’une horloge atomique parfaitement réglée

Les “premières franges de Ramsey” que l’on voit ici, confirment que PHARAO fonctionne parfaitement en orbite et qu’il peut maintenant être comparé aux horloges terrestres.

LE FUTUR DE LA MESURE DU TEMPS.

• Généralisation des horloges optiques en utilisant des « peignes de fréquences »
• Une nouvelle définition de la seconde basée sur un nouvel atome ?
• Référence « temps » installée dans l’espace.
• Horloges « nucléaires » à base de Th 229.

De plus, Pharao est capable de détecter d’infimes variations du potentiel gravitationnel équivalent à un changement d’altitude de 1 mètre. Les dernières horloges optiques au sol, encore plus précises, peuvent détecter un changement dans le potentiel gravitationnel équivalent à une variation d’un centimètre."

Conclusion : le Temps est au service d l’Astronomie.

Complément ajouté par votre serviteur sur le temps qui passe sur l’ISS :

• Cette opération a pour but principal, encore une fois de tester la RG prévue par Albert Einstein. En effet on sait que la gravité affecte le temps, les horloges avancent plus lentement en présence d’objets massifs. Le test sera effectué à bord de l’ISS circulant à 400 km au-dessus de nos têtes, là où la gravité est plus faible que sur Terre
• Mais rien n’étant simple, attention le temps est aussi influencé par la vitesse.
• La masse ralentit le temps Selon la relativité générale, plus un objet est massif, plus il courbe l’espace-temps autour de lui. Cette courbure ralentit le passage du temps. Exemple : près d’un trou noir (très massif), le temps passe beaucoup plus lentement que loin de lui. (voir Interstellar)
• La vitesse ralentit le temps Selon la relativité restreinte, plus un objet va vite, plus le temps passe lentement pour lui, vu depuis quelqu’un qui reste immobile. Exemple : un astronaute voyageant très vite dans l’espace vieillit moins vite que les gens restés sur Terre. Sur l’ISS (Station Spatiale Internationale), les deux effets jouent en même temps, mais de manière opposée :
• Vitesse élevée = temps ralenti Les astronautes à bord de l’ISS vont très vite (environ 28 000 km/h) autour de la Terre. Selon la relativité restreinte, le temps passe plus lentement pour eux que pour nous sur Terre.
• Gravité plus faible = temps accéléré La station est en orbite, donc un peu plus loin du centre de la Terre, où la gravité est un peu plus faible qu’à la surface. Selon la relativité générale, le temps passe un peu plus vite que sur Terre (moins de courbure de l’espace-temps).
• Résultat ? Sur l’ISS, l’effet de la vitesse l’emporte légèrement sur celui de la gravité. Les astronautes vieillissent un tout petit peu moins vite que les gens sur Terre. Mais c’est vraiment minime : après 6 mois dans l’espace, la différence est de quelques millièmes de seconde seulement !

POUR ALLER PLUS LOIN :

Le projet Pharao au CNES

Vérifier les prédictions de la théorie de la relativité d'Einstein : la mission de l'horloge atomique PHARAO envoyée dans l'espace

PHARAO : mesurer le temps avec une précision inégalée !

Lancement de PHARAO le 21 avril 2025 dans le cadre de la mission ACES

Bon ciel à tous

Prochaine conférence SAF. : le mercredi 12 Nov 2025 (CNAM amphi déterminé quelques jours avant) 19 H    

avec  Jean Michel FAIDIT Historien sur

« FLAMMARION ET SON ŒUVRE, de l'Astronomie populaire au manuscrit des objets de Messier.»

Réservation comme d’habitude à partir du 16 Oct 9h00 ou à la SAF directement.

La suivante : le 10 Dec : HERA et DART, missions de défense planétaire  

Les dernières conférences SAF 

Bon ciel à tous !

Jean Pierre Martin 

www.planetastronomy.com

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