Dans la nuit du 30 juin au 1er juillet 2012, à 0h temps universel, une seconde supplémentaire vient s'ajouter au temps légal de tous les pays du monde.

Cette seconde dite "intercalaire" compense le lent ralentissement de la rotation de la Terre au cours du temps.

C'est la 35e fois qu'une seconde intercalaire est ajoutée à nos horloges, à l'initiative du Service international de la rotation de la Terre et des systèmes de référence. Dans chaque pays, l'instance responsable du temps légal est chargée d'introduire cette seconde supplémentaire. En France, il s'agit du SYRTE (Systèmes de référence Temps-Espace), basé à l'Observatoire de Paris (14e).

Temps astronomique/ temps atomique

Si cette seconde est introduite, c'est qu'il existe un décalage entre le temps astronomique (UT1) et le temps atomique (UTC).

Le premier est défini par la rotation de la Terre sur elle-même, soit environ 24h. Ce temps permet de déterminer l'orientation de la Terre dans l'espace et donc de situer les objets dans le ciel. Une seconde de ce temps astronomique équivaut à 1/86400 de jour terrestre.

Du césium pour définir la seconde

Pour obtenir une unité plus précise, les "gardiens du temps" ont choisi de définir la seconde non plus en se basant sur le mouvement de la Terre, mais en utilisant l'une des propriétés quantiques des atomes: leur tendance à émettre un rayonnement à des fréquences toujours identiques.

La fréquence de l'atome de césium est ainsi à l'origine de la définition actuelle de la seconde. Elle permet un découpage d'une seconde en 9 192 631 770 « graduations »! La précision du diable...

Problème: le temps astronomique prend constamment du retard sur le temps atomique. En effet, la rotation de la Terre est irrégulière: « Les effets de marées (induits par influence gravitationnelle de la Lune) la ralentissent doucement mais sûrement, de quelques nanosecondes par jour, explique Noël Dimarcq, directeur du SYRTE. Un pouillème qui peut s'avérer très gênant, par exemple pour la navigation ou le positionnement par GPS. »

La Terre est en retard

D'après un accord international signé en 1972, dès que l'écart entre le temps atomique et le temps astronomique dépasse 0,9 seconde, une seconde intercalaire est ajoutée.

Mais comment mesurer ce « retard » de la Terre? « C'est très simple, il suffit d'observer un objet très lointain (sans mouvement apparent) avec un télescope au sol, poursuit le chercheur. L'objet est observé sous un angle précis. Si la rotation de la Terre était stable, l'objet serait observé exactement sous le même angle à la même heure un jour plus tard. Mais ce n'est pas le cas. La mesure l'écart d'angle permet de déterminer le retard de la Terre par rapport au temps atomique, avec une très grande précision. »

Cette horloge atomique est parmi les plus précise au monde. Son oscillateur
est un rayon laser (en bleu) dont la fréquence est réglée par une série de petits miroirs.
Sa précision est contrôlée grâce à l'atome de strontium.
Crédit: Rémy Padilla/Observatoire de Paris

À Paris, des horloges atomiques de pointe

Le temps atomique, lui, est calculé à partir d'une moyenne du temps donné par 350 horloges atomiques réparties sur toute la planète. En France, c'est le SYRTE qui assure l'exactitude de ce temps atomique grâce à des horloges ultra performantes, qui atteignent une précision de 10-16, soit une erreur de seulement une seconde au bout de 300 millions d'années.

Ces horloges sont également des instruments de recherche fondamentale. En 2015, une version spatiale de la fontaine atomique du SYRTE sera ainsi embarquée sur l'ISS dans le cadre de la mission PHARAO du CNES afin de tester très précisément la relativité d'Einstein qui prédit par exemple que le temps ne s'écoule pas de la même manière en fonction de l'altitude. Ainsi, sur l'ISS, le temps s'écoule plus vite que sur Terre, avec une différence d'environ 1 seconde par millénaire.

Une réplique de cette horloge, dite fontaine atomique,
sera embarquée dans l'ISS en 2015 dans le cadre du projet PHARAO.
Crédit: Rémy Padilla/Observatoire de Paris.