Comment le temps est-il défini ?

15 06 2015
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Salle de l'horloge ÀY« fontaine atomiqueLes horloges atomiques fournissent depuis près de 50 ans la mesure officielle de la seconde. En France, c’est à l’Observatoire de Paris que se situe le laboratoire consacré à la mesure du temps et à la recherche sur la future génération d’horloges, toujours plus précise.

Dans la « salle d’exploitation du temps » située au SYRTE, au sein de l’Observatoire de Paris, sont collectées toutes les données fournies par les horloges atomiques au césium installées bien à l’abri de toutes perturbations dans les sous-sols du bâtiment. C’est à partir de ces données que les équipes de Michel Abgrall, ingénieur de recherche CNRS et responsable du Service de références nationales du temps, et Sébastien Bize, chargé de recherche CNRS et directeur-adjoint du SYRTE, donnent l’heure légale en France et participent à la définition du temps universel coordonné (UTC), géré par le Bureau international des poids et mesures basé à Sèvres (92).

Depuis 1967, la définition de l’unité de temps, la seconde, repose en effet sur les horloges atomiques. Il a été décidé que la seconde ne serait plus définie à partir du mouvement de la Terre, mais en fonction d’une fréquence d’une transition de l’atome de césium. Avantage : la mesure offre une très grande précision et une très grande stabilité dans le temps. Les horloges à césium refroidi par laser, appelées fontaines atomiques, ne dérivent que d’une seconde au bout de 300 millions d’années. Autant de qualités requises pour faire fonctionner des systèmes de positionnement par satellites ou des transactions à grande vitesse sur les marchés financiers.

Le Service de références nationales du temps du LNE-SYRTE dispose d’une douzaine d’horloges atomiques, dont 6 horloges à jet de césium, des masers à hydrogène et trois fontaines atomiques dont une fontaine double, à césium et rubidium, dont l’exactitude est encore meilleure. Toutes les données de ces horloges sont collectées pour fournir une référence de temps mais l’activité du laboratoire est aussi de poursuivre les recherches pour améliorer encore cette mesure du temps.

C’est ainsi qu’une équipe du SYRTE planche sur la future génération d’horloges atomiques, celles qui remplaceront sans doute dans quelques années les actuelles horloges à jet de césium. Pour observer cette horloge du futur il faut descendre au sous-sol du laboratoire Foucault, à mi-chemin entre les bâtiments historiques de l’Observatoire et les bâtiments modernes du SYRTE. C’est là que l’équipe de Jérôme Lodewyck et Rodolphe Le Targat peaufine l’horloge à réseau optique d’atomes de strontium.

Le principe demeure le même : sonder la transition d’un atome entre deux états, deux niveaux d’énergie. Mais cette horloge est capable de mesurer des oscillations beaucoup plus rapides (40 000 fois plus rapides) que les horloges au césium, et donc de découper la seconde en intervalles beaucoup plus petits. Ce qui donne au final une caractérisation plus précise. « Mais à ces fréquences, le mouvement des atomes devient problématique, explique Jérôme Lodewyck. Pour s’en affranchir, les atomes sont immobilisés dans un « réseau optique » ressemblant à un millier de minuscules galettes de lumière laser; une lumière tellement intense qu’elle peut piéger les atomes. »

Les comparaisons entre horloges se poursuivent au SYRTE et au niveau mondial pour s’assurer à la fois de leur exactitude et de leur stabilité.

Cécile Dumas

Photos : © Patrice Latron / LookatSciences

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