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Parmi les nombreux objets d’études des scientifiques de l’Observatoire, la réalisation de l’heure exacte constitue une tradition plus que séculaire. Lors de la création de l’Observatoire, l’un des objectifs principaux d’ailleurs était d’établir un catalogue d’étoiles par des observations méridiennes; un tel programme imposait ipso-facto l’installation des meilleures horloges disponibles à l’époque et des déterminations de l’heure aussi précises que possible. Au début du vingtième siècle de nouvelles horloges à balancier ont été installées dans des caves spécialement préparées à cet effet; les caves étaient maintenues à une température constante à quelques dixièmes de degré et les horloges étaient accrochées à des piliers de pierre enfoncés dans le sol et indépendants de la structure du bâtiment. Les horloges, dites fondamentales, étaient quatre pendules Rieffler dont deux pour conserver le temps solaire moyen et deux pour conserver le temps sidéral. L’heure était déterminée par des observations méridiennes et déjà diffusée, par téléphone, en des lieux publics comme le port d’Anvers par exemple. Plus tard et jusque vers 1980 l’heure de l’Observatoire synchronisait l’horloge parlante ainsi que les signaux horaires émis par la radio.Lorsque les premières horloges à quartz firent leur apparition vers 1950, les développements technologiques ont suivi de manière très rapide que ce soit au niveau des horloges ou des techniques d’observation et de comparaison d’horloges à distance. L’Observatoire suivit cette évolution technologique en installant ses premières horloges à quartz en 1955, puis en 1968, les horloges atomiques et les techniques modernes de comparaison (Loran-C, puis GPS).
Le temps atomique
Jusqu'en 1960, l'unité de temps se référait à la rotation de la Terre sur elle-même. La seconde était définie comme une fraction (1/86400) du jour solaire moyen (intervalle de temps entre deux passages successifs du soleil au méridien d'un même lieu d'observation); depuis 1967, la seconde est définie à partir d’une propriété quantique de l’atome de césium, offrant une précision bien meilleure à l’unité de mesure de temps.On savait depuis le début du XXème siècle que la rotation de la Terre n'était pas stable, des variations de rotation ayant été mises en évidence par l’étude des mouvements orbitaux de la lune et des planètes. Puisque la durée du jour est variable, la seconde définie comme une fraction du jour avait également une durée variable, ce qui est inadéquat pour une unité de mesure. Cependant, aucune horloge ne permettait de générer une échelle de temps plus stable que la rotation de la Terre; la détermination la plus précise de l’heure s’obtenait avec les observations astronomiques.
Les choses ont changé lorsque les horloges atomiques firent leur apparition. La communauté scientifique disposa alors d'un standard de fréquence dont la stabilité était de loin supérieure à la rotation de la Terre. La seconde reçut une nouvelle définition en 1967 lors de la 13ème Conférence Générale des Poids et Mesures: la seconde est la durée de 9 162 631 770 périodes de radiation de la transition entre deux niveaux hyperfins d'énergie de l'état fondamental de l'atome de Césium 133.
Le principe d'une horloge atomique est le suivant. Les atomes peuvent se trouver dans plusieurs niveaux d'énergie, et les transitions entre ces différents niveaux se font par absorption ou émission d'un rayonnement à une fréquence bien précise, propre à chaque transition.
Pour générer ces secondes, les horloges atomiques au césium «excitent» les atomes avec un rayonnement dont la fréquence correspond à la fréquence de la transition. Dans la pratique, la fréquence d'excitation est ajustée de façon à obtenir un maximum d'atomes dans l'état excité; la fréquence ainsi obtenue est utilisée pour générer les impulsions-secondes. Dans le cas d'une horloge au césium, chaque fois que l'on a compté 9 192 631 770 cycles, on génère une impulsion seconde.
La réalisation du Temps Atomique International (TAI) est sous la responsabilité du BIPM (Bureau International des Poids et Mesures, Paris). Le TAI correspond à une moyenne pondérée d'environ 250 horloges atomiques réparties de par le monde dans une quarantaine de laboratoires. L'un de ces laboratoires est à l'Observatoire Royal de Belgique (ORB).
La seconde atomique étant légèrement plus courte que la seconde obtenue comme une fraction du jour, le TAI est en avance par rapport à l'échelle de temps basée sur la rotation de la Terre (appelée Temps Universel). Pour des raisons pratiques, il est nécessaire de maintenir l'échelle de temps officielle aussi proche que possible de la rotation de la Terre. Pour cette raison, on a introduit en 1971 le Temps Universel Coordonné (UTC), qui est obtenu en ajoutant au TAI des «secondes intercalaires» si nécessaire, de sorte que l'écart entre le UTC et l'échelle de temps déduite de la rotation de la Terre reste inférieur à 0.9 secondes. L’heure locale s’obtient alors en ajoutant le décalage du fuseau horaire du lieu, et une éventuelle correction saisonnière pour l’heure d’été.
Réalisation de UTC
Chaque laboratoire maintient une réalisation physique de UTC, c'est-à-dire une horloge (ou un ensemble d'horloges atomiques) synchronisée sur UTC et dont la fréquence est ajustée sur celle de UTC. Cette réalisation est appelée UTC(k), où k est l’acronyme du laboratoire; la réalisation de UTC faite à l'Observatoire est appelée UTC(ORB).Les horloges participant au TAI doivent pouvoir être comparées entre elles. Dans un même laboratoire, les horloges seront régulièrement comparées à UTC(k) à l'aide d'un compteur d'intervalle de temps qui mesure le décalage entre les impulsions (une impulsion par seconde) de l'horloge et les impulsions de UTC(k). Pour des horloges situées dans des laboratoires différents, on utilise deux techniques: la mesure de double trajet d’une onde transitant par un satellite géostationnaire (appelée «Two-Way») et la vue commune des satellites GPS (appelée «common view»). Seule cette seconde technique est utilisée à l’ORB; elle peut se résumer comme suit:
- Dans un premier temps, on observe à instants
précis
déterminés par le BIPM tous les satellites GPS visibles,
et de ces observations on déduit l'erreur de
synchronisation entre UTC(k) et le temps GPS. Chaque laboratoire
de temps envoie une fois par mois au BIPM les données du mois
précédent concernant la différence entre son
horloge UTC(k) et le temps GPS, et les différences entre les
autres horloges locales et UTC(k).
- Dans un deuxième temps, le BIPM combine les stations deux par deux, et pour chaque instant d'observation des satellites GPS, élimine le temps GPS qui est commun, et en déduit les erreurs de synchronisation entre les UTC(k). Les erreurs de synchronisation entre les différentes horloges des différents laboratoires s’obtiennent alors aisément.
Le TAI est calculé a posteriori: il faut laisser les horloges fonctionner pour en collecter les lectures, et ensuite les transmettre au BIPM qui effectue le calcul a posteriori. Le BIPM renvoie alors, pour chaque mois écoulé, l’évolution de l’écart entre UTC et UTC(k) , ce qui permet à chaque laboratoire d’estimer la qualité de sa prédiction UTC(k) et d’en réajuster la fréquence si nécessaire, c’est-à-dire si UTC(k) s’écarte trop de UTC.
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(*) Les standards primaires de fréquences sont des horloges d’une grande exactitude, fabriquées dans certains laboratoires de temps et qui opèrent une réalisation pratique de la définition de la seconde.
