Qu’elle heure est-il sur la Lune ? » La question paraît saugrenue, mais elle préoccupe les agences spatiales. Car alors que la Lune est à nouveau au centre de toutes les attentions, il est crucial de déterminer un temps lunaire unique pour les futures missions spatiales habitées. Un sujet qu’environ 500 experts de la mesure du temps ont discuté lors d’un grand congrès du 25 au 27 juin 2024 à l’Université de Neuchâtel, qui propose d’ailleurs une solution pour contribuer à résoudre ce problème : l’horloge atomique la stable dans le volume le plus petit possible !
Cinquante-cinq ans après le programme américain Apollo, qui a vu Neil Armstrong poser pour la première fois le pied sur la Lune, l’astre verra bientôt débarquer plusieurs vaisseaux humains s’y poser, puis probablement des bases s’y construire. Pouvoir coordonner leurs activités, communiquer (sur place et avec la Terre) et surtout se géolocaliser précisément sur la surface sélène, grâce à des satellites en orbite lunaire, sera donc d’une importance cruciale. Pour que cela soit possible, il s’agit d’établir un « temps lunaire coordonné », ou LTC. En avril 2024, le Bureau de la politique scientifique et technologique (OSTP) des États-Unis a demandé à la NASA de s’y atteler d’ici fin 2026. Et en 2023 déjà, l’Agence spatiale européenne (ESA) avait soulevé le problème.
Selon les experts, il existe plusieurs manières de déterminer une fois pour toutes ce LTC. « Premièrement, on pourrait dire qu’on utilise le même temps qu’on a sur la Terre, qui s’appelle UTC, le Temps Universel Coordonné, explique Patrizia Tavella, directrice du Département Temps au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), à Sèvres, près de Paris, qui est l’un des hauts lieux dans le monde des étalons de toutes les unités de mesure. Ce temps UTC est fabriqué avec toutes les horloges atomiques dans le monde, à peu près 400.»
Autrement dit, la Lune aurait en quelques sortes un fuseau horaire dédié, et le temps lunaire serait calculé en ajoutant ou en déduisant un certain nombre d’heures par rapport au temps GMT de Londres.
Quand Einstein et sa relativité générales s’en mêlent
Mais il y a un problème, et pas des moindres : la Lune est beaucoup moins massive que la Terre. Elle exerce ainsi une force de gravité plus faible que notre planète. Avec pour conséquence – étonnante mais bien réelle, et formulée jadis par Einstein dans sa théorie de la relativité générale – que le temps de deux horloges identiques s’écoule différemment sur la Lune que sur la Terre. En l’occurrence, l’horloge lunaire gagnerait environ 56 millionièmes de seconde (microsecondes) par jour. Ou 2 centièmes de seconde par an. Une paille pour tout un chacun. Mais une valeur énorme lorsque l’on sait que les horloges atomiques à bord des satellites de géolocalisation (de type GPS), ont besoin d’une précision inférieure au milliardième de seconde, sous peine d’induire des positionnements erronés de plusieurs mètres…
Deuxième possibilité, poursuit Patrizia Tavella : « On prend une horloge atomique aussi précise que possible, idéalement « parfaite », et on l’installe à la surface de la Lune et sur les satellites en orbite lunaire, pour définir ce LTC. » Un temps qui serait donc propre à la Lune, s’écoulant différemment du temps terrestre, mais servant de référence unique pour toutes les activités lunaires.
Et c’est là qu’entre en scène l’Université de Neuchâtel, dont le Laboratoire Temps-Fréquence est reconnu mondialement depuis des décennies pour ses horloges atomiques ; certaines équipent déjà les satellites du système de géolocalisation européen Galileo.
Comment fonctionne une horloge atomique
« Le fonctionnement d’une horloge atomique est assez simple, explique à la RTS Gaetano Mileti, directeur-adjoint Laboratoire Temps-Fréquence de l’Université de Neuchâtel (Unine). On utilise les oscillations des atomes comme référence de temps. » En l’occurrence, des vibratos d’atomes de de rubidium, enfermés dans une minuscule cavité, qui sont mesurés à l’aide de rayons laser générés eux aussi par un dispositif miniaturisé à l’extrême. Car pour aller dans l’espace, chaque gramme et chaque centimètre-cube compte à bord des lanceurs. « Au final, nous avons réalisé l’une des horloges atomiques les plus stables dans un aussi petit volume », équivalent à celui d’une demi-brique de lait, affirme l’auteur de cette prouesse, Etienne Batori, ancien doctorant de l’Unine aujourd’hui ingénieur Recherche&Développement au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM).
« Aujourd’hui, cette horloge est un prototype, reprend le professeur Mileti. Il va falloir le qualifier spatialement. Et ensuite, il pourra être utilisé dans des missions spatiales, pourquoi pas sur des satellites lunaires, dans des bases lunaires, et participer éventuellement à la réalisation d’un temps lunaire. » Plusieurs autres centres de métrologie dans le monde développent également des horloges similaires, et aucune décision n’a été prise à ce jour sur les futurs fabricants des horloges lunaires. « On ne peut pas faire confiance à une seule horloge, ni même à deux », a dit à CNN Cheryl Gramling, responsable du domaine au Goddard Space Flight Center de la Nasa, dans le Maryland. Autrement dit, il y a fort à parier que plusieurs fournisseurs d’horloges atomiques soient sollicités, dont l’Unine.
A terme, l’ambition américain est de créer LunaNet, un réseau complet de satellites de communication et de navigation équipé d’horloge atomique ultra-précises. L’Europe, de son côté, souhaite mettre sur pied son réseau à travers son initiative Moonlight.
Mais le temps presse un peu. Car c’est en 2026 déjà que les Américains veulent retourner sur la Lune. Avec l’Europe, mais si possible avant l’Inde et surtout la Chine, dont les plans lunaires se concrétisent rapidement. Et d’ici là, tous ces pays espèrent bien se mettre d’accord, pour accorder leurs montres.
