À l’aide de radiotélescopes observant des étoiles lointaines, les scientifiques ont connecté des horloges atomiques optiques sur différents continents. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Character Physics grâce à une collaboration internationale entre 33 astronomes et specialists en horloge de l’Institut countrywide des technologies de l’information et de la interaction (NTIC, Japon), l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italie), l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italie) et le Bureau intercontinental des poids et mesures (BIPM, France).




Le BIPM de Sèvres près de Paris calcule régulièrement l’heure internationale recommandée pour l’usage civil (UTC, Coordinated Common Time) à partir de la comparaison d’horloges atomiques by way of les communications par satellite. Cependant, les connexions satellites indispensables au maintien d’un temps international synchronisé n’ont pas suivi le développement de nouvelles horloges atomiques: des horloges optiques qui utilisent des lasers interagissant avec des atomes extremely-froids pour donner un tic-tac très raffiné. « Pour tirer pleinement parti des horloges optiques en UTC, il est essential d’améliorer les méthodes de comparaison d’horloge dans le monde entier. » a déclaré Gérard Petit, physicien au département du temps du BIPM.

Dans cette nouvelle recherche, des sources radio extragalactiques à haute énergie remplacent les satellites comme source de signaux de référence. Le groupe de SEKIDO Mamoru du NICT a conçu deux radiotélescopes spéciaux, l’un déployé au Japon et l’autre en Italie, pour réaliser la connexion en utilisant la procedure d’interférométrie à très longue base (VLBI). Ces télescopes sont capables d’observer sur une big bande passante, tandis que les antennes de 2,4 mètres de diamètre les maintiennent transportables. « Nous voulons montrer que le VLBI à huge bande a le potentiel d’être un outil puissant non seulement pour la géodésie et l’astronomie, mais aussi pour la métrologie. » commenta SEKIDO. Pour atteindre la sensibilité requise, les petites antennes ont fonctionné en tandem avec un moreover grand radiotélescope de 34 m à Kashima, au Japon lors des mesures prises du 14 octobre 2018 au 14 février 2019. Pour le radiotélescope de Kashima, il s’agissait de l’une des dernières observations avant le Le télescope a été irrémédiablement endommagé par le typhon Faxai en septembre 2019.




Le but de la collaboration était de connecter deux horloges optiques en Italie et au Japon, séparées par une length de foundation de 8700 km. Ces horloges chargent des centaines d’atomes ultra-froids dans un réseau optique, un piège atomique conçu avec une lumière laser. Les horloges utilisent différentes espèces atomiques: l’ytterbium pour l’horloge de l’INRIM et le strontium pour les NICT. Tous deux sont candidats à une upcoming redéfinition de la seconde dans le Système intercontinental d’unités (SI). « Aujourd’hui, la nouvelle génération d’horloges optiques pousse à revoir la définition de la seconde. La voie d’une redéfinition doit relever le défi de comparer les horloges à l’échelle mondiale, à l’échelle intercontinentale, avec de meilleures performances qu’aujourd’hui », a déclaré Davide Calonico, responsable de la division « Métrologie Quantique et Nanotechnologie » et coordinateur de la recherche à l’INRIM.

La connexion est probable en observant des quasars à des milliards d’années-lumière: des resources radio alimentées par des trous noirs pesant des millions de masses solaires, mais si éloignées qu’elles peuvent être considérées comme des points fixes dans le ciel. Les télescopes visent une étoile différente toutes les quelques minutes pour compenser les effets de l’atmosphère. « Nous avons observé le signal non pas de satellites, mais de sources radio cosmiques », a commenté IDO Tetsuya, directeur du « Laboratoire des normes spatio-temporelles » et coordinateur de la recherche au NTIC. « VLBI peut nous permettre en Asie d’accéder à l’UTC en nous appuyant sur ce que nous pouvons préparer nous-mêmes. » IDO ajouté.

Des antennes comme celles transportables utilisées dans ces mesures peuvent être installées directement dans les laboratoires développant des horloges optiques dans le monde entier. Selon SEKIDO, « un réseau mondial d’horloge optique connecté par VLBI peut être réalisé grâce à une collaboration entre les communautés internationales de métrologie et de géodésie, tout comme le réseau VLBI haut débit du VLBI International Observing System (VGOS) a déjà été établi », tandis que Petit a commenté: « en attendant les liaisons optiques longue length, cette recherche montre qu’il y a encore à gagner des liaisons radio, où le VLBI avec des antennes transportables peut compléter les systèmes mondiaux de navigation par satellite et les satellites de télécommunications. »

Outre l’amélioration du chronométrage international, une telle infrastructure ouvre également de nouvelles voies pour étudier la physique fondamentale et la relativité générale, pour explorer les versions du champ gravitationnel de la Terre, ou même la variation des constantes fondamentales sous-jacentes à la physique. Federico Perini, coordinateur de la recherche à l’INAF, a commenté: « Nous sommes fiers d’avoir participé à cette collaboration en aidant à réaliser un si grand pas en avant dans le développement d’une procedure qui, en utilisant les sources radio les furthermore éloignées de l’Univers, rend doable la mesure des fréquences générées par deux des horloges les furthermore précises ici sur Terre.  » Calonico conclut « Notre comparaison utilisant VLBI donne une nouvelle viewpoint pour améliorer et étudier de nouvelles méthodes de comparaison d’horloge, en examinant également la contamination entre différentes disciplines. »