Des lasers ultrastables dans des cratères obscurs pour permettre la navigation lunaire et la chronométrie de précision

Ils font partie des endroits les plus sombres et les plus froids du système solaire : des centaines de cratères lunaires, dont beaucoup au pôle sud de la Lune, ne reçoivent jamais la lumière directe du soleil et se trouvent dans l’ombre permanente. C’est précisément pour cette raison que le physicien Jun Ye et ses collègues suggèrent que ces cratères sont l’endroit idéal pour construire un composant essentiel d’un laser ultrastable. 

Sur la Lune, un laser hautement stable — une source de lumière cohérente dont la fréquence, ou couleur, est presque invariable — pourrait fournir un signal de temps maître et offrir une navigation lunaire de type GPS, a déclaré Ye, qui est affilié à la fois au National Institute of Standards and Technology (NIST) et à JILA, un institut conjoint du NIST et de l’Université du Colorado à Boulder. Plusieurs copies de ces lasers lunaires pourraient mesurer avec précision les distances entre les objets et potentiellement détecter des phénomènes physiques exotiques tels que les ondulations de l’espace-temps.

Pour construire un laser lunaire, les astronautes installeraient d’abord un composant clé appelé cavité optique en silicium — un bloc de silicium qui ne permet qu’à certaines fréquences de lumière de rebondir entre des miroirs à chaque extrémité du bloc. La distance entre les deux miroirs détermine les fréquences autorisées à résonner ; pour une cavité optique hautement stable, cette distance, et donc ces fréquences, ne varie pas.

La Lune est un emplacement idéal pour construire une cavité optique car elle est soumise à relativement peu de vibrations par rapport à la Terre et possède un vide poussé (son environnement étant dépourvu d’air).

Mais les cratères en permanence dans l’ombre au pôle sud lunaire offrent un avantage encore plus grand. Leur température glaciale d’environ 50 degrés au-dessus du zéro absolu (50 kelvins) réduit considérablement les vibrations aléatoires des surfaces des miroirs.

De plus, ces cratères ont un vide encore plus poussé que la surface lunaire, ce qui réduit ou élimine davantage les vibrations des ondes sonores et des particules errantes qui pourraient frapper les miroirs et modifier la distance qui les sépare.

En rayonnant toute chaleur résiduelle du système de cavité dans l’abîme beaucoup plus froid de l’espace extra-atmosphérique, la cavité optique pourrait être refroidie davantage, sans nécessité de cryostat ou autre équipement, jusqu’à une température de 16 K. À cette température, le silicium ne se dilate ni ne se contracte lorsqu’il est exposé à de minuscules changements de température, garantissant que la lumière entrant dans la cavité parcourt exactement la même distance entre les deux miroirs.

Une fois la cavité optique en silicium déployée, un laser disponible dans le commerce serait placé à proximité — soit sur le bord, soit à l’intérieur du cratère en permanence dans l’ombre. Une petite quantité de lumière laser dirigée dans la cavité optique serait utilisée pour verrouiller la fréquence du laser sur l’une des fréquences de résonance autorisées par la cavité, garantissant ainsi que le laser émet une lumière d’une seule couleur invariable.

Après avoir stabilisé la fréquence de sa lumière, le laser pourrait agir comme un signal de type GPS, guidant les engins spatiaux lunaires pour atterrir en toute sécurité, en particulier ceux destinés à se poser dans des régions faiblement éclairées près du pôle sud. En accordant sa lumière avec les signaux des horloges atomiques sur les satellites, un laser lunaire de haute stabilité pourrait également former l’épine dorsale de la première horloge atomique optique sur une surface extraterrestre. Ce signal de chronométrie rivaliserait avec ceux des horloges atomiques optiques les plus précises et exactes sur Terre, que Ye et ses collègues ont construites dans des laboratoires terrestres.

Ye et ses collègues, dont des chercheurs de JILA, du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne et de Lunetronic Inc. à San Francisco, décrivent leur proposition dans un numéro récent du Proceedings of the National Academy of Sciences.

Bien que l’idée de construire un laser à l’intérieur d’un cratère lunaire puisse sembler irréaliste, la NASA a déjà désigné des régions proches des cratères en permanence dans l’ombre du pôle sud comme sites d’atterrissage pour la mission Artemis de l’agence spatiale.

Ye, expert en lasers et mesures de précision, a eu l’idée d’un laser lunaire après avoir discuté avec des collègues des types d’instruments que la mission Artemis pourrait transporter et installer sur la surface lunaire. Certaines idées semblaient peu pratiques ou impliquaient une technologie pas entièrement développée sur Terre.

« Je me suis dit, ‘laissez-moi lancer une autre idée folle’ — sauf qu’elle s’est avérée pas si folle que ça finalement, » a noté Ye. Après avoir travaillé avec des cavités résonnantes en silicium pendant des années, Ye et ses collègues à JILA et à l’institut national allemand de métrologie « savons exactement quels sont les ingrédients clés pour construire une cavité en silicium », a-t-il ajouté. « Dès que j’ai compris ce que les régions en permanence dans l’ombre peuvent offrir, j’ai senti que ce serait l’environnement le plus idéal pour un laser super-stable. »

Si les astronautes installaient un réseau de ces lasers lunaires, a déclaré Ye, les instruments pourraient mesurer les distances entre les objets sur la Lune avec une précision extraordinairement élevée. Une telle précision pourrait permettre aux lasers basés sur la Lune de servir de détecteur d’ondes gravitationnelles, des ondulations de l’espace-temps qui secoueraient la Lune et modifieraient très légèrement la distance entre les objets lunaires lors de leur passage.

La cavité optique en silicium, suffisamment petite pour tenir à l’intérieur d’un vaisseau spatial Artemis, serait entièrement assemblée sur Terre, a déclaré le co-auteur de l’étude Wei Zhang du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Lors du déploiement sur la Lune, les panneaux de rayonnement de l’appareil devraient se déployer. Les astronautes utiliseraient un rover lunaire télécommandé ou mécanique pour descendre la cavité dans le cratère, a ajouté Zhang.

En raison du mauvais éclairage, il sera difficile d’atterrir sur les régions polaires de la Lune, a noté le co-auteur Yiqi Ni, de Lunetronic. Cependant, les régions en permanence dans l’ombre sur la Lune restent centrales pour l’exploration lunaire à long terme car elles contiennent de la glace d’eau et d’autres ressources nécessaires au maintien d’une présence humaine.

Ni estime qu’une cavité optique en silicium pourrait être démontrée en orbite terrestre basse d’ici deux ans, déployée sur la surface lunaire d’ici trois à cinq ans, et finalement installée à l’intérieur d’un cratère sombre grâce à des efforts coordonnés multi-agences.

Article : Lunar Silicon Cavity – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – Méthode : Content analysis – DOI : Lien vers l’étude

source : NIST