Magazine Observatoire de Paris n°10 jun/jui/aoû 2008
Magazine Observatoire de Paris n°10 jun/jui/aoû 2008
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°10 de jun/jui/aoû 2008

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Observatoire de Paris

  • Format : (220 x 307) mm

  • Nombre de pages : 32

  • Taille du fichier PDF : 22 Mo

  • Dans ce numéro : spécial spatial.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Vue d’artiste de l’expérience ACES installée sur une palette externe du module européen Columbus./Artist’s view of the ACES experiment installed on the European Columbus module external pallet. ESA Contact : Philippe LAURENT Chargé de recherche CNRS Responsable instrumentaliste de PHARAO SYRTE +33 (0)1 40 51 23 95 philippe.laurent@obspm.fr POURQUOI ALLER DANS L’ESPACE ? Opérer dans un environnement de « microgravité » affranchit de la pesanteur et autorise une « interrogation atomique » (processus de mesure) de plus longue durée. On obtient une horloge dotée de meilleures performances. WHY GO INTO SPACE ? Working in a « microgravity » environment eliminates gravity and permits a longer « atomic questioning » (a measuring process). The result is a better performing clock. La mesure de l’écoulement du temps avec une grande stabilité et exactitude est l’une des activités fondamentales conduites par le laboratoire SYRTE - Systèmes de Référence Temps- Espace. Cela passe par la mise en œuvre d’horloges à atomes refroidis par laser dont les performances se situent au premier plan mondial. Et une nouvelle étape sera franchie avec PHARAO 1 - Projet d’Horloge Atomique à Refroidissement d’Atomes en Orbite -, fruit d’une collaboration inédite avec le CNES, le laboratoire Kastler-Brossel de l’École Normale Supérieure - ENS et les industriels EADS Sodern et Thales. Cette horloge à atomes ultra-froids volera en 2012 à bord de la Station spatiale internationale - ISS. La première horloge-fontaine à atomes froids de césium a été construite il y a 15 ans à l’Observatoire de Paris en collaboration avec l’équipe de Claude Cohen-Tannoudji de l’ENS, prix Nobel 1997 pour ses travaux sur le refroidissement radiatif. Aujourd’hui, le SYRTE dispose d’un ensemble unique de trois fontaines - dont une transportable et une utilisable avec du rubidium, qui ont une exactitude de fréquence record de quelques 10 -16, soit quelques dix-millionièmes de milliardièmes. Atomes froids en apesanteur L’étape suivante sera l’envoi dans l’espace. L’horloge PHARAO s’intégrera sur le module Columbus de l’ISS dans le système européen Atomic Clock Ensemble in Space - ACES, aux côtés d’un maser à hydrogène et d’une liaison micro-ondes qui transférera au sol le temps des horloges avec une performance cent fois supérieure à celle de la constellation GPS. Au total, l’horloge ne dérivera pas de plus d’une seconde en 300 millions d’années. On attend maintes retombées de cette mission unique au monde, en particulier des tests de la relativité générale d’Albert Einstein, avec la mesure précise du décalage gravitationnel ou la recherche d’une variation des constantes fondamentales prédite par la théorie des cordes 2. D’autres applications pratiques ont trait à la géodésie et à la mesure directe du potentiel de gravitation de la Terre.ACES/PHARAO validera aussi les briques technologiques de futurs instruments à atomes froids pour la navigation inertielle de sondes, les tests de la gravitation dans le système solaire ou la prochaine génération de satellites du système Galileo. 14 – MAGAZINE DE L’OBSERVATOIRE N°10 – SPÉCIAL SPATIAL/JUIN 2008 PHARAO : UNE FONTAINE ATOMIQUE DANS L’ESPACE PHARAO : AN ATOMIC FOUNTAIN IN SPACE Vers 2012, une horloge à atomes ultra-froids sera embarquée – pour la première fois – en orbite autour de la Terre. La prouesse aura de nombreuses retombées en physique fondamentale et des applications pratiques. Around 2012, there will be for the first time an ultra-cold atom clock in orbit around the Earth, a feat that will have numerous applications in physics. Tube d’interaction de l’horloge PHARAO./PHARAO clock interaction tube. EADS Sodern APPLICATIONS Measuring the passage of time with a high degree of stability and accuracy is one of the main activities of the Time-Space Reference Systems Laboratory (SYRTE).This requires the implementation of laser-cooled atom clocks of world-standard performance. And the technology will enter a new phase with PHARAO 1 project : a cold atom clock in orbit, the result of a totally new collaboration with the CNES, the Kastler-Brossel laboratory of the École Normale Supérieure (ENS), and the EADS Sodern and Thales industrial companies. This ultra-cold atom clock will fly in 2012 aboard the International Space Station (ISS). The first Cesium fountain atomic clock was built 15 years ago at the Observatoitre de Paris in collaboration with the team headed by Claude Cohen-Tannoudji from ENS, 1997 Nobel Prize for Physics for his work on radiative cooling.Today, SYRTE disposes of a unique set of three fountains-one of these portable and another operating also with rubidium, of a frequency accuracy of about 10 -16 (i.e. some ten-millionths of a billionth), a record. Cold atoms in a state of weightlessness The next step will be sending PHARAO into space. The PHARAO clock will be part of the European Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) on the ISS’s Columbus module, together with a hydrogen maser and a microwave link that will transmit the clock’s time to the ground station with an accuracy one hundred times better than that of the GPS constellation.This is equivalent to a drift of at most one second in 300 million years. A number of positive effects are expected from this unique mission, in particular the opportunity for testing Einstein’s general theory of relativity by a precise measuring of the gravitational shift, and searching for a variation in the fundamental constants predicted by string theory 2.There are other practical applications in geodesy and the direct measuring of the Earth’s gravitational potential. ACES/PHARAO willalso validate the technological bricks for future cold atom instruments for probes’inertial navigation systems, gravitational tests in the solar system and the next generation of Galileo system satellites. 1. PHARAO fait partie du projet ACES de l’ESA./Acronym for Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite. PHARAO is part of ESA’s ACES project. 2. Théorie qui tente d’unifier la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale./A theory seeking to unify quantum mechanics and the theory of general relativity. Banc laser de l’horloge PHARAO./PHARAO clock laser bench. EADS Sodern
APPLICATIONS GALILEO : L’ESPACE AU SERVICE DU CITOYEN EUROPÉEN GALILEO : SPACE SERVING THE EUROPEAN CITIZEN La constellation militaire américaine de navigation par satellite, Global Positioning System - GPS, devient de plus en plus présente dans notre vie au quotidien. Version civile européenne, Galileo doit être déployée en 2010-2013 : l’Observatoire de Paris lui apporte son expertise. The American military satellite navigation system, Global Positioning System (GPS), is becoming increasingly present in everyday life. The European civil space constellation, Galileo, should be deployed in 2010-2013. The Observatoire de Paris contributes its expertise to the project. On connaît les récepteurs GPS miniatures fixés au tableau de bord des voitures : « au prochain feu, tournez à droite », égrène la voix monocorde. Mais, comment fonctionnentils ? En localisant un point dans l’espace-temps à l’aide de trois coordonnées de lieu, plus le temps. On y parvient en mesurant les durées de parcours de signaux électromagnétiques entre les satellites et l’objet à repérer en quatre dimensions. La précision exigée dans ces mesures nécessite l’utilisation d’horloges atomiques, dans les satellites comme dans les stations « sol ». Conçu par l’armée américaine, le GPS utilise un ensemble de 24 satellites lancés depuis 1978, en orbite à 20 000 kilomètres d’altitude, et régulièrement renouvelés. La précision obtenue en temps réel est de l’ordre de quelques mètres en position et de quelques nanosecondes 1 en temps, avec des récepteurs fixes ou lentement mobiles. Une précision de l’ordre du centimètre et du dixième de nanoseconde ne peut être obtenue qu’avec des récepteurs particuliers (GPS phase) et au prix d’un temps d’attente très long. De tels niveaux de performance ouvrent des possibilités d’applications dans des domaines aussi variés que le suivi écologique (déforestation), la construction des échelles de temps atomique, la géodésie, la tectonique des plaques, les alertes aux séismes. Un accès fiabilisé à la très haute précision Tel est le défi de Galileo, rival civil européen du GPS. Le premier satellite de test Giove-A a été lancé fin 2005 et son confrère, Giove-B l’a suivi avec succès le 27 avril 2008. Le programme de 3,4 milliards d’euros vise à déployer 30 satellites entre 2010 et 2013. Outre un service de positionnement ouvert et gratuit, la finalité est de procurer un signal d’intégrité sécurisé et payant utilisable jusque dans les phases critiques de décollage et d’atterrissage d’avions de ligne. Enjeux : l’autonomie de l’Europe, un marché estimé à plusieurs milliards d’euros et la création de milliers d’emplois. À travers le laboratoire Systèmes de Référence Temps- Espace - SYRTE, l’Observatoire de Paris est impliqué dans le raccordement de l’échelle de temps Galileo au temps atomique international. Le SYRTE contribue aussi au futur de Galileo en développant des concepts innovants d’horloges atomiques pour l’espace. Utilisant des jets thermiques ou des atomes froids, ces horloges seront installées dans les satellites de future génération pour améliorer - encore - la précision et la fiabilité du service. LE CŒUR DE L’HORLOGE à atomes froids élaborée au SYRTE pour Galileo./The heart of the cold atom clock built at SYRTE for Galileo. SYRTE MAGAZINE DE L’OBSERVATOIRE N°10 – SPÉCIAL SPATIAL/JUIN 2008 – 15 We are all familiar with the small GPS receivers embedded on automobile dashboards, and their monotonous voice telling us to « Turn right at the next traffic light ». But how do they work ? The principle behind their operation consists in locating a point in space-time with the help of three space and one time coordinates. This involves measuring the time taken by electromagnetic signals to travel from the satellites to the object to be located. The accuracy of the system requires atomic clocks onboard the satellites and at ground stations. Designed by the U.S. Army, the GPS relies on a set of 24 satellites orbiting the Earth at an altitude of 20,000 kilometres that have been in operation since 1978 and are periodically replaced. In quasi real time, the resulting accuracy is of the order of a few meters in position and a few nanoseconds 1 in time with fixed or slowly moving receivers. A accuracy - one centimetre and one tenth of a nanosecond - may even be obtained with special receivers operated in « GPS phase » mode, but the required calculation time is very long : several days ! Such a high accuracy paves the way for applications in fields as diverse as the development of atomic time scales, ecological survey (forests), geodesy, plate tectonics, and seismic alert systems. A secured accuracy of less than a metre Such is the challenge facing Galileo, Europe’s civil response to GPS. The first Giove-A test satellite was launched at the end of 2005, and its companion, Giove-B, successfully followed on 27 April 2008. The 3.4-billion-euro program aims at the deployment of 30 navigation satellites from 2010 to 2013. Besides an open and free positioning service, it will offer a secured integrity signal for a fee, available even during the critical moments of take-off and landing of commercial aircrafts. At stake is Europe’s autonomy, a several billion euro market and the creation of thousands of jobs. Through its Time-Space Reference Systems Laboratory (SYRTE), the Observatoire de Paris is involved in the link from Galileo time scale to international atomic time. SYRTE is also developing a new concept of atomic clock capable of operating in space. Using thermal beams or laser-cooled atoms, these clocks are intended to be installed in the future-generation satellites, in view of improving the service’s accuracy and reliability. 1. Un milliardième de seconde./billionth of a second. LA CONSTELLATION européenne de navigation Galileo comprendra 30 satellites./Europe’s Galileo navigation constellation will be composed of 30 satellites. ESA/Huart LE SECOND SATELLITE de test Giove-B à l’ESTEC (centre technique de l’ESA, Pays-Bas) juste avant son lancement./The second Giove-B test satellite at ESTEC (ESA’s technical center, in the Netherlands) moments before launch. F. Guérin Contact : Philip TUCKEY Astronome SYRTE +33 (0)1 40 51 22 46 philip.tuckey@obspm.fr



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