Projet d'horloge atomique par refroidissement d'atomes en orbite

Le Projet d'horloge atomique par refroidissement d'atomes en orbite, en abrégé PHARAO, est le premier étalon primaire de fréquence spatiale. Un étalon primaire de fréquence réalise la définition de la seconde avec la plus grande exactitude. Cette horloge atomique utilise des atomes de césium refroidis par laser et dont l'exactitude relative de fréquence doit s'approcher de 10^-16. L'horloge est développée par le Centre national d'études spatiales (CNES) en étroite collaboration avec le Laboratoire Temps Espace (LTE) de l'Observatoire de Paris et du laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'Ecole Normale Supérieure. PHARAO est l’un des composants principaux du projet Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) de l'Agence spatiale européenne (ESA).

Les idées et les premiers tests réalisés par le LKB et le LTE, sur une horloge atomique à atomes de césium refroidis par laser, ont débuté au début des années 1990. Les mécanismes du refroidissement par laser avaient été découverts peu de temps auparavant, à la fin des années 1980. L'objectif était de développer un nouvel étalon primaire de fréquence capable de surpasser les performances des étalons actuels, basés sur des jets thermiques. Quelques années plus tard, cet objectif a été atteint et cette horloge à atomes froids, la fontaine atomique, est devenu l'horloge la plus exacte au monde.

A la même période, ces deux laboratoires réfléchissaient aussi au gain que pouvait apporter la microgravité sur les performances d'une horloge à atomes froids et les nouvelles applications qui en résulteraient. Cette technologie n'étant pas du tout mature pour une réalisation spatiale, ils ont fait appel au CNES pour les soutenir dans ce projet. Le CNES a accepté le challenge et le projet PHARAO est né.

Objectifs

L'horloge Pharao ne dévie que d’une seconde tous les 300 millions d’années (soit moins d’une minute depuis le Big Bang), afin de tester les prédictions de la théorie de la relativité générale, selon laquelle on vieillit plus vite loin d’une masse comme la Terre, qu’au sol. Cette prédiction a déjà été confirmée, mais cette horloge doit améliorer la précision vingt fois. Avec l’espoir de trouver un tempo de l’horloge différent de celui prévu, signe de nouvelles forces à l’œuvre dans la nature^[1].

Pour ce faire, l’horloge est située à environ 400 km de la Terre dans l’ISS, et se compare à des horloges atomiques au sol via un lien micro-onde (MWL) embarqué aux côtés de PHARAO. Ces horloges atomiques au sol sont situées dans les laboratoires Temps/Fréquence de référence à l'échelle mondiale.

Caractéristiques techniques

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L'instrument PHARAO est composé de 5 sous-systèmes^[2] :

un tube à vide aussi nommé Tube Césium (TC). Le Tube à Césium est le cœur de l'horloge PHARAO où a lieu l'interaction entre signaux micro-ondes et les atomes de césium. C’est là que les atomes sont capturés, refroidis, lancés, sélectionnés et détectés après avoir subi une interaction dans la cavité micro-onde. Les performances de l'horloge dépendent fortement du concept du tube : l'équipement doit fournir les conditions d'un vide très poussé, d'un champ magnétique très homogène et d'une température très stable pour minimiser les perturbations du nuage atomique qui le traverse. Le développement du Tube Césium a été confié à Sodern.

un banc optique aussi nommé Source Laser (SL) fournit les divers faisceaux laser nécessaires pour la capture, le lancement, le refroidissement, la sélection atomique et la détection des atomes. Les principaux défis de la conception de la SL sont dus aux contraintes d'accommodation de la charge utile ACES, qui impose un haut niveau de compacité, une faible consommation d'énergie, une large gamme de températures de stockage et de fonctionnement, ainsi que le besoin de fonctionner aussi bien dans l'air que dans le vide. Le développement de la Source Laser a été confié à Sodern.

la source micro-onde (SH), fournit le signal émis vers les cavités d'interrogation et de préparation. Le développement de la source micro-onde a été confié à Thalès Alenia Space.

L'unité de gestion bord (UGB), traite le signal de la mesure d'erreur pour commander les corrections de fréquence à appliquer à la source micro-onde en mode autonome ou bien les transmet à ACES-XPLC dans les autres modes opérationnels. Elle synchronise aussi les différentes phases du cycle atomique, gère les acquisitions de mesures et les systèmes de télécontrôle pour modifier les paramètres fonctionnels de l'instrument, et assure la régulation thermique. La réalisation de l'UGB a été confiée à EREMS.

L'unité électronique BEBA régule le champ magnétique du tube césium et acquiert le signal analogique fourni par le tube césium.

Le logiciel de vol orchestre la charge utile à bord, le tout en décryptant et déroulant les tables de micro-commandes, répartissant, pour chaque lancement de nuage d'atomes, les ordres destinés aux 5 sous systèmes de PHARAO. Le développement de ce logiciel a été confié à CS Group.

La base de données système orchestre le segment sol, en décryptant la télémesure et en préparant les télécommandes. Cette base permet notamment grâce à des fonctions de transfert, de transformer les données brutes en données physiques pour une exploitation des données en temps réel.

Gestion des opérations

Mise en orbite

ACES/PHARAO est transféré en orbite le 21 avril 2025 par un vaisseau cargo américain SpaceX Dragon 2, pour être installé à l'extérieur du laboratoire européen Columbus de l'ISS^[3]. Sa mise en place fonctionnelle par le bras robotique Canadarm2 commandé depuis la Terre a eu lieu le 25 avril 2025^[3].

Recette et validation du fonctionnement de routine

Les opérations PHARAO sont effectuées par le CNES au CADMOS.

Les opérations consistent :

pendant la phase de recette en vol, à allumer et optimiser le fonctionnement général de l'horloge (puissances laser, puissances micro-onde, champ magnétique,...) ;
pendant les phases de recette en vol et de routine, à charger de nouvelles tables de micro-commandes pour optimiser le séquençage du cycle PHARAO ;
pendant la phase de routine, à régulièrement tester les différents sous-systèmes ainsi que les mécanismes de redondances pour s'assurer de leurs bon état de santé ainsi que de leurs bon fonctionnement ;
pendant la phase de routine, à alterner régulièrement les configurations d'atomes pour évaluer les effets systématiques.

Après six mois de réglages suivis de huit mois de comparaisons continues avec les horloges au sol, l'instrument est officiellement passé en phase de routine fin juin 2026.