Au-delà de l’atmosphère de notre planète, le système de mesure du temps qui structure la vie s’effondre. Les mots « jour » et « nuit » ont une signification radicalement différente lorsque l’on effectue une orbite autour de la Terre en 90 minutes, comme le font les astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ce qui représente 16 levers et couchers de soleil par période de 24 heures).
Le corps humain et ses rythmes circadiens (sommeil et éveil régulés par notre horloge interne) ont évolué ici sur Terre, et nous ne sommes donc pas adaptés à un autre environnement. Dans le monde chaotique du temps extraterrestre, où les astronautes ne peuvent pas compter sur l’aube et le crépuscule pour respecter leur emploi du temps habituel, ils doivent suivre un programme strict de sommeil et de travail. Tout écart par rapport à leur cycle naturel entraînerait rapidement une problèmes de santé physique et mentale.
Maintenir une routine dans l’espace
Une routine bien établie permet de maintenir le cap des missions, et la vie d’un astronaute dans l’espace est donc presque entièrement planifiée à l’avance. Les activités à bord de l’ISS, des repas à l’exercice physique en passant par la maintenance, sont échelonnées par tranches de cinq minutes. Et tout doit être en parfaite synchronisation avec les horloges du retour à la maison.
« Pour faire ce que vous devez faire », explique Todd Ely, ingénieur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, « vous devez être capable de lire l’heure où que vous soyez. »
Grâce à des horloges atomiques précises, les astronautes restent synchronisés avec Temps universel coordonné (UTC), la norme mondiale sur laquelle toutes les horloges sont finalement réglées.
Bien sûr, La théorie de la relativité d’Einstein déclare que le temps est pas Universel : Le temps passe différemment selon les conditions. Si une personne se déplace plus vite qu’une autre, ou est plus proche d’un objet massif, le temps s’écoule plus lentement pour elle. Bien que ces effets relativistes ne soient pas énormes dans notre système solaire (et aux vitesses actuelles des vaisseaux spatiaux), ils doivent néanmoins être pris en compte dans les calculs de temps et de trajectoire chaque fois que nous nous aventurons au-delà de l’orbite terrestre basse.
« Si nous ne tenions pas compte de la relativité », explique Ely, « nous n’obtiendrions pas la bonne réponse. »
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Problèmes liés à la lecture de l’heure dans l’espace
À proximité de la Terre, la principale difficulté réside dans l’adaptation à un environnement dépourvu de repères temporels familiers. Mais à mesure que l’on s’éloigne, la communication avec le centre de contrôle de mission devient plus problématique.
Les messages (sous forme d’ondes radio) ne peuvent voyager qu’à une vitesse égale à celle de la lumière. Il faut donc jusqu’à 14 minutes pour que les nouvelles de Houston parviennent à un vaisseau spatial près de Mars, sans parler des régions plus éloignées du système solaire. Ce délai pose un sérieux problème pour les tâches qui nécessitent un timing précis.
Les horloges que nous utilisons dans la vie quotidienne — dont la plupart emploient cristaux de quartz — fonctionnent assez bien pour nos besoins, mais ils sont tout à fait inadéquats pour les astronautes car ils ne mesurent pas le temps de manière cohérente. Même les meilleurs d’entre eux dérivent assez rapidement.
Selon la NASAaprès seulement six semaines, une horloge à quartz pourrait être décalée d’une milliseconde. Même si cela peut sembler peu, cela s’accumule et peut entraîner d’énormes erreurs de navigation. Pour les voyages spatiaux en général, et en particulier lorsque les astronautes commencent à s’aventurer plus loin de la Terre, ils ont besoin d’une nouvelle étape de précision : horloges atomiques.
Horloges atomiques
Chaque horloge s’appuie sur un mécanisme pour maintenir l’heure de manière stable : un « pendule », au sens propre comme au sens figuré. Dans les horloges à quartz, ce mécanisme est un cristal, qui résonne à une fréquence spécifique et génère du courant électrique lorsqu’il est soumis à une tension.
Mais en raison d’erreurs de fabrication et de facteurs environnementaux, les performances des cristaux se dégradent au fil du temps. Les atomes, en revanche, sont extrêmement stables. Ceux qui appartiennent au même élément résonnent à la même fréquence lorsqu’ils absorbent ou libèrent de l’énergie ; ils sont en effet de parfaits « pendules ».
Les horloges atomiques utilisent toujours un cristal de quartz, mais elles vérifient son oscillation par rapport à des atomes plus cohérents. Si la fréquence du cristal reste exacte, les atomes passeront à un état d’énergie plus élevé, comme un chanteur d’opéra cassant un verre de vin avec la bonne tonalité. Si la fréquence est légèrement décalée, une décharge électrique est envoyée à l’oscillateur sous forme de signal pour ajuster la fréquence.
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Naviguer dans l’espace lointain
Nous utilisons des horloges atomiques pour les applications où la précision est primordiale. Système de positionnement global Le GPS, par exemple, en dépend pour suivre nos déplacements d’une seconde à l’autre. Nos téléphones reçoivent des signaux de satellites, qui sont horodatés par des horloges atomiques, qui calculent ensuite le temps qu’il a fallu aux signaux pour nous parvenir. Grâce à ces informations, nos téléphones peuvent déterminer avec précision notre position sur Terre.
Des principes similaires s’appliquent à la navigation dans l’espace lointain. En mesurant le temps que mettent les ondes radio pour se déplacer d’un vaisseau spatial à l’autre, les scientifiques peuvent calculer sa distance par rapport à la Terre. En mesurant plusieurs de ces durées de signaux bidirectionnels en séquence, ils peuvent également déterminer sa vitesse et sa trajectoire. En rassemblant toutes ces données, il est possible de déterminer la position d’un orbiteur martien à quelques mètres près.
Même après plus de deux décennies à la NASA, Ely dit : « Je suis toujours étonné par cela. »
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Une nouvelle technologie pour connaître l’heure dans l’espace
Depuis le début des années 2010, Ely conçoit la prochaine avancée technologique en matière de navigation : l’horloge atomique de l’espace lointain, un appareil extrêmement stable qui utilise des atomes de mercure et pèse une fraction de ses homologues terrestres.
Le DSAC fonctionne si bien que les engins spatiaux peuvent calculer leur position et leur vitesse en se basant uniquement sur des signaux unidirectionnels en provenance de la Terre, plutôt que d’attendre une demi-heure pour le délai de communication aller-retour. Cela permet une navigation en temps quasi réel, ce qui facilite les manœuvres à enjeux élevés comme l’atterrissage sur une autre planète ou l’entrée sur son orbite.
Jusqu’à présent, la DSAC n’a été testé expérimentalementMais au cours d’un essai d’un an, de 2019 à 2020, les performances du prototype se sont révélées bien supérieures à celles des horloges spatiales actuelles. Il pourrait bientôt devenir la référence, d’autant plus que les astronautes commencent à voyager au-delà de notre lune, vers Mars et peut-être plus loin.
Sans horloges d’une précision exceptionnelle, explique Ely, « nous ne serions pas en mesure d’explorer le système solaire. Nous ne pourrions pas atteindre ces destinations de manière fiable. »
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Cody Cottier est un écrivain collaborateur chez Discover qui aime explorer les grandes questions sur l’univers et notre planète, la nature de la conscience, les implications éthiques de la science et bien plus encore. Il est titulaire d’une licence en journalisme et production médiatique de l’Université d’État de Washington.
