Le 10 juin 2020 marque le centenaire de la Journée commémorative du temps. Pour marquer cet événement, nous publierons une série spéciale en trois parties. La deuxième partie, intitulée « Les systèmes de temps standard au Japon et dans le monde », sera commentée par Mizuhiko Hosokawa, chercheur principal à l’Institut national des technologies de l’information et des communications (NICT).
L'heure du Japon est calée sur celle du 135e méridien est, qui traverse la ville d'Akashi, dans la préfecture de Hyogo. L'Institut national des technologies de l'information et des communications (NICT), situé à Koganei, à Tokyo, gère l'heure standard du Japon, basée sur UTC+9. Depuis 1972, le NICT détermine et maintient l'heure standard du Japon (JST). C'est également à cette époque que les secondes intercalaires ont été adoptées. L'heure standard diffusée par le NICT est essentielle à notre quotidien : elle est utilisée pour la transmission des ondes radio qui alimentent les horloges radiopilotées à travers le Japon, pour la distribution sur les réseaux et pour les signaux horaires des chaînes de télévision et de radio comme la NHK (Japan Broadcasting Corporation) et NTT (canal 117). Pourtant, peu de gens connaissent les détails de son fonctionnement, de sa maintenance et de son amélioration. À l'occasion du centenaire de la Journée de commémoration du temps, nous avons rencontré M. Hosokawa, qui contribue depuis de nombreuses années à la recherche et au développement dans ce domaine.
NICT, l'organisme qui gère l'heure normale du Japon
L'heure standard diffusée par l'Institut national des technologies de l'information et des communications (NICT) par ondes radio et autres moyens est appelée « Heure normale du Japon ». Elle portait déjà ce nom en 1990, lorsque j'ai rejoint le Laboratoire de recherche en communications, prédécesseur du NICT, et l'origine exacte de cette appellation reste incertaine. L'histoire de l'heure standard est assez complexe, tant au Japon que dans le monde. Cependant, les origines de l'Heure normale du Japon, dans le système actuel, sont claires. Il s'agit du Temps universel coordonné (UTC), nouvellement établi le 1er janvier 1972, auquel on ajoute neuf heures par rapport à l'heure standard du NICT. Toutefois, ceux qui ne sont pas familiarisés avec ce système, comme je l'étais autrefois, peuvent être désorientés. Je vais donc vous expliquer brièvement comment nous en sommes arrivés là.
Définition de la seconde et du temps standard
Le « temps standard », utilisé depuis l'Antiquité, est basé sur la rotation de la Terre, ou ce que nous percevons comme le mouvement diurne du Soleil. L'axe de rotation de la Terre est incliné par rapport au plan de son orbite, et cette orbite est elliptique ; la Terre se rapproche et s'éloigne donc du Soleil au cours de l'année, ce qui entraîne des fluctuations assez complexes de l'heure du midi solaire selon les saisons. C'est pourquoi on a moyenné ce mouvement annuel pour déterminer ce que l'on appelle le temps solaire moyen. Le plus connu de ces temps est le temps moyen de Greenwich (GMT), et son successeur, le temps universel (UTC), a été envisagé dès les années 1920 et a commencé à être utilisé internationalement dans les années 1930.
Cependant, à cette époque, voire un peu avant, la précision des horloges mécaniques s'est considérablement améliorée et les horloges à quartz ont été mises au point, révélant que la rotation de la Terre fluctue, même si cette fluctuation est très faible. Elle est d'environ une partie sur 100 millions. En comptant une année en secondes, on obtient un peu plus de 30 millions de secondes, et trois ans représentent près de 100 millions de secondes, soit une fluctuation d'environ une seconde tous les trois ans. Bien que cette fluctuation soit à peine perceptible pour un usage courant, les sciences de précision exigent une norme plus rigoureuse. Vers 1950, les astronomes ont commencé à envisager d'utiliser le mouvement orbital de la Terre, incluant la Lune et les planètes, comme référence. Cette méthode s'est avérée possible pour réduire la fluctuation d'environ deux ordres de grandeur. Suite à ces discussions, la Conférence générale des poids et mesures a décidé en 1960 de modifier la définition de la seconde, une unité de temps basée sur la rotation de la Terre, pour adopter une unité basée sur sa révolution. Ce temps basé sur la révolution est appelé temps éphéméride.
Cependant, en 1967, la définition de la seconde a été modifiée pour se baser sur les horloges atomiques utilisant l'atome de césium, développé depuis les années 1950 et qui s'était avéré plus précis et plus pratique.
Changements dans le temps universel coordonné
Avec l'évolution des unités de temps vers une plus grande précision, des discussions ont été entamées sur une nouvelle définition appelée Temps Universel Coordonné (TUC), qui alignerait le temps sur la rotation de la Terre. Nombreux étaient ceux qui préconisaient un temps standard commun basé sur la rotation terrestre, ou plus précisément, un temps universel lié au lever et au coucher du soleil. À l'époque, le domaine des radiocommunications était sans doute le plus conscient de l'importance de la synchronisation temporelle mondiale. Initialement, la proposition de TUC présentait des imperfections qui faussaient la définition bien établie de la seconde. Cependant, en 1970, le Comité consultatif des radiocommunications (CCIR), prédécesseur du Secteur des radiocommunications de l'Union internationale des télécommunications (UIT-R), a résolu ces problèmes et recommandé l'établissement d'un nouveau TUC comme norme pour les radiocommunications. Cette recommandation a été adoptée et sa diffusion par ondes radio standard a commencé dans chaque pays à partir du 1er janvier 1972.
Pour garantir que le Temps Universel Coordonnées (UTC) ne s'écarte pas significativement de l'UTC, deux points ont été établis : l'unité de temps est la seconde précise, déterminée par les horloges atomiques ; et elle est constamment comparée à l'UTC. Avant que l'écart ne dépasse 0.9 seconde (initialement fixé à 0.7 seconde, mais la tolérance a ensuite été élargie), une seconde intercalaire est ajoutée ou supprimée par incréments d'une seconde. Par ailleurs, une organisation internationale, le Service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence (IERS), surveille les fluctuations de l'UTC et détermine si une seconde intercalaire doit être ajoutée.
Le Japon a également pris des dispositions conformément à cette recommandation et, juridiquement, le ministère des Postes et Télécommunications a publié un avis stipulant que le Temps Universel Coordonné (UTC) plus neuf heures devait être diffusé par ondes radio comme heure standard du Japon. Ces neuf heures correspondent à la différence de temps entre le 135e parallèle est, qui traverse la ville d'Akashi (préfecture de Hyōgo), et le 0e parallèle est, qui traverse Greenwich. Cette mesure est entrée en vigueur le 1er janvier 1972 et le Temps Universel Coordonné a été établi par le Laboratoire de Recherche Radio (RRL), prédécesseur du Laboratoire de Recherche en Communications (CRL), et est toujours utilisé comme heure standard du Japon.
Temps universel coordonné (UTC), temps atomique international (TAI) et heure normale du Japon
Bien que cela puisse constituer une fin heureuse, la réalité est plus complexe et mystérieuse. Le premier problème est de savoir qui détermine le Temps Universel Coordonné (TUC) et comment. Le Temps Atomique International (TAI) est utilisé comme étalon horaire depuis 1958, basé sur les horloges atomiques. Initialement, il s'agissait de la moyenne de trois horloges atomiques réparties dans le monde, mais ce nombre a progressivement augmenté et repose désormais sur l'analyse des données de plus de 400 horloges atomiques détenues par des instituts de normalisation du monde entier. Il semblerait que ce système ait été conçu et mis en œuvre très tôt par B. Guinot, ancien directeur de la Division du Temps du Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), décédé il y a plusieurs années, au sein de la Division du Temps du BIPM et de son prédécesseur, le Bureau International de l'Hône (BIH). Je n'entrerai pas dans les détails ici, mais en résumé, il s'agit de comparer en permanence les données horaires des horloges atomiques du monde entier et de déterminer le TAI en analysant un mois de données collectées. Les horloges atomiques du NICT participent également à ce processus.
Le Temps Universel Coordonné (UTC) est le Temps Atomique International ajusté des secondes intercalaires. Cependant, le Temps Atomique International est également déterminé à partir de l'analyse des données d'un mois, et le Temps Atomique International actuel n'a pas encore été établi. Par conséquent, même si vous demandez l'heure actuelle, le Temps Universel Coordonné n'est pas encore déterminé. Le Temps Atomique International et le Temps Universel Coordonné sont actuellement annoncés par le BIPM autour du 10 de chaque mois pour le mois précédent. Cependant, chaque pays ne peut pas attendre l'annonce du Temps Universel Coordonné (UTC) pour annoncer son heure standard ; c'est pourquoi chaque organisme de normalisation crée indépendamment un système similaire au Temps Universel Coordonné.
On appelle généralement ce système UTC(k), où k représente le nom de l'organisation concernée. Par exemple, l'UTC(k) créé par le NICT est appelé UTC(NICT). Chaque mois, l'UTC est annoncé, indiquant l'écart entre l'UTC(k) de chaque pays et l'UTC. Si cet écart devient trop important, l'organisation peut le corriger légèrement pour le ramener à la normale le mois suivant. Chaque organisation est libre de déterminer son UTC(k) en fonction de ses équipements et de ses capacités. Toutefois, il est recommandé de maintenir les écarts par rapport à l'UTC dans une certaine marge. Le non-respect de cette recommandation n'est pas sanctionné. Il y a une trentaine d'années, la valeur recommandée était d'un millionième de seconde, mais grâce aux progrès réalisés en matière de précision des horloges atomiques et de comparaison des temps, cette marge a été réduite à dix millionièmes de seconde au cours des vingt dernières années. Ce niveau de précision est facilement atteignable si l'on dispose d'un nombre suffisant d'horloges atomiques de haute précision et si des comparaisons horaires internationales de haute précision sont effectuées quotidiennement. Au cours de la dernière décennie, une douzaine d'institutions ont maintenu une précision de l'ordre de 100 millionièmes de seconde, et le NICT en fait partie.
Les premières horloges atomiques japonaises étaient comparées à celles d'Europe et des États-Unis grâce aux ondes radio de grande longueur d'onde, mais la précision de cette comparaison était insuffisante et elles n'ont pas été intégrées au Temps Atomique International. Aujourd'hui, l'utilisation de satellites de positionnement et de communication permet de comparer régulièrement l'heure internationale à une précision de 1 milliardième à 10 milliardième de seconde. Il me semble que ce n'est qu'au milieu des années 1980, lorsque le Japon a pu utiliser efficacement le GPS, le premier système de positionnement par satellites, qu'il a pu contribuer au Temps Atomique International.
Comme expliqué précédemment, l'ajout de neuf heures à l'UTC (NICT), initialement créée par le NICT, correspond à ce que l'on appelle aujourd'hui « l'heure normale du Japon ». C'est la base de la diffusion de l'information horaire à tous par divers moyens, notamment les signaux horaires standard à ondes longues pour les horloges et les réseaux radiopilotés. Le chemin a été long et sinueux, mais j'espère que cela vous permet de mieux comprendre ce qui pouvait prêter à confusion dans mon explication initiale. Vous avez peut-être été surpris par ces rebondissements.
Le maintien de l'heure normale du Japon (JST) repose sur divers facteurs interdépendants, notamment l'amélioration des performances des horloges atomiques, en particulier celles des étalons de fréquence primaires, spécialisés dans la précision ; l'amélioration de la précision des comparaisons horaires internationales ; et la recherche d'algorithmes d'échelle de temps permettant de pondérer chaque horloge atomique à partir des données d'un groupe d'horloges atomiques afin de déterminer l'heure standard. De nombreux enjeux concernent également la fourniture de l'heure, tels que l'amélioration de la précision de la synchronisation horaire avec les stations de radiodiffusion, la réduction des délais de distribution sur le réseau et la simplification de sa diffusion.
L'Institut national des technologies de l'information et de la communication (NICT) possède un institut appelé Laboratoire des normes spatio-temporelles, qui assure la maintenance et la distribution du temps standard japonais et poursuit ses recherches sur des problématiques telles que les mesures de haute précision du temps et de l'espace. Nous espérons que la découverte de cet institut suscitera votre intérêt pour nos activités.
Auteur
Mizuhiko Hosokawa
Chercheur principal, Institut national des technologies de l'information et des communications (NICT)
Il a obtenu son doctorat à l'École doctorale des sciences de l'Université de Tohoku en 1988. En 1990, il a rejoint le Laboratoire de recherche sur les communications (aujourd'hui Institut national des technologies de l'information et des communications), où il a pris la direction du Laboratoire des étalons atomiques en 2000. Depuis, il se consacre à la recherche et au développement des technologies de la supraconductivité et des étalons spatio-temporels. Plus particulièrement, dans ce dernier domaine, il a participé à diverses activités de recherche et développement, notamment sur les effets relativistes, les étalons de fréquence primaires au césium, les étalons de fréquence optiques, l'établissement et la fourniture du temps standard, ainsi que sur le maintien de ce temps, la mise en place de stations basse fréquence et la reconnaissance mutuelle internationale des étalons. Il a été président du Comité technique du temps et de la fréquence du Programme de métrologie Asie-Pacifique de 2008 à 2011, et président du Comité du temps de l'Union astronomique internationale de 2012 à 2015. Il est devenu membre du conseil d'administration du NICT en 2016 et occupe son poste actuel depuis avril 2020.
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