Se repérer dans l'espace avec les pulsars
Certaines étoiles mortes tournent sur elles-mêmes des centaines de fois par seconde avec une régularité d'horloge. De quoi offrir aux sondes lointaines un GPS naturel, à l'échelle de la galaxie.
Comment savoir où l'on est quand on se trouve à des milliards de kilomètres de la Terre ? Aujourd'hui, la position d'une sonde lointaine est calculée au sol, à partir des signaux radio qu'elle échange avec les grandes antennes terrestres. Plus elle s'éloigne, plus cette méthode devient lente et imprécise. Les astronomes ont une autre idée en tête : utiliser comme balises des étoiles mortes, les pulsars, qui émettent des impulsions d'une régularité remarquable.
Une découverte inattendue
En 1967, à Cambridge, une doctorante, Jocelyn Bell, analyse les relevés d'un nouveau radiotélescope. Elle remarque un signal étrange : des impulsions très brèves, revenant toutes les 1,3 seconde environ, avec une régularité parfaite. On pense un instant à un signal artificiel, avant de comprendre qu'il s'agit d'un phénomène naturel. C'est le premier pulsar.
Un pulsar est une étoile à neutrons : le cœur effondré d'une étoile massive qui a explosé en supernova. Selon la NASA, il contient plus de matière que le Soleil dans une sphère d'une vingtaine de kilomètres. Il tourne très vite et émet deux faisceaux de rayonnement, comme un phare. Chaque fois qu'un faisceau balaie la Terre, on reçoit une impulsion. Celui de la nébuleuse du Crabe, sur l'image, tourne une trentaine de fois par seconde.
Des horloges cosmiques
Les plus intéressants pour la navigation sont les pulsars millisecondes, découverts à partir des années 1980. Accélérés par la matière qu'ils ont arrachée à une étoile compagne, ils tournent des centaines de fois par seconde, et leur rotation est si stable que, sur de longues durées, la régularité de certains rivalise avec celle des meilleures horloges atomiques.
Le principe de la navigation est le même que celui du GPS. On sait prédire avec précision l'instant d'arrivée de chaque impulsion en un point de référence, par exemple le centre de masse du système solaire. Une sonde qui reçoit l'impulsion en avance ou en retard sur cette prédiction en déduit sa position le long de la direction du pulsar. Un décalage \Delta t correspond à une distance
\Delta x = c \, \Delta t,
où c est la vitesse de la lumière, environ 300 000 km/s. Une erreur d'une microseconde sur le temps donne donc une erreur de 300 mètres sur la position. Avec au moins trois pulsars dans des directions différentes, plus une mesure du temps, la sonde obtient sa position en trois dimensions.
L'idée de se repérer avec les pulsars a été popularisée très tôt, sous une forme poétique. Les sondes Pioneer 10 et 11, lancées au début des années 1970, emportent une plaque gravée destinée à d'éventuels découvreurs. On y trouve une carte qui situe le Soleil par rapport à 14 pulsars, dont les périodes sont données dans une unité universelle : la durée associée à une transition de l'atome d'hydrogène, environ 0,7 milliardième de seconde. La même carte figure sur la couverture du disque d'or des sondes Voyager.
SEXTANT : le premier essai en orbite
Il a fallu attendre 2017 pour une démonstration réelle. Les pulsars millisecondes sont très faibles en ondes radio, et une sonde ne peut pas emporter une antenne géante. On les observe donc en rayons X, avec des télescopes compacts. L'instrument NICER, installé sur la Station spatiale internationale en 2017, a servi à l'expérience SEXTANT de la NASA. En novembre 2017, en observant quelques pulsars millisecondes, elle a calculé de façon autonome la position de la station, qui file à plus de 27 000 km/h, avec une précision annoncée par la NASA d'une quinzaine de kilomètres. C'est modeste comparé au GPS, mais c'est une première, et la précision progresse avec la durée d'observation et la qualité des détecteurs.
La navigation autonome a aussi besoin d'une bonne horloge à bord. L'horloge atomique spatiale de la NASA (Deep Space Atomic Clock), testée en orbite de 2019 à 2021, n'a dérivé que de moins de quatre milliardièmes de seconde en plus de vingt jours : de quoi dater finement l'arrivée des impulsions.
Et sur Terre ?
Les rayons X ne traversent pas l'atmosphère : un récepteur de pulsars ne fonctionne qu'en orbite. Mais il pourrait servir de référence de temps et de position indépendante du GPS pour des constellations de satellites, si les signaux de navigation venaient à être brouillés ou défaillants. Les télécommunications, les réseaux électriques et la finance dépendent de cette heure partagée. C'est l'objet de la marche « Boussole des Pulsars » (voir la marche H-LNK-01), dont le verrou est un détecteur X assez petit pour une sonde légère.
Pour une sonde partie vers les étoiles, le guidage depuis la Terre devient vite trop lent : à Alpha du Centaure, un aller-retour de signal prendrait près de neuf ans. Les pulsars, eux, restent visibles de partout dans la galaxie. Reste à les capter avec des instruments de quelques kilogrammes, puis de quelques grammes : c'est tout le chemin qui sépare une expérience sur la Station spatiale d'une sonde vers Alpha du Centaure.