Certains physiciens pensent qu’une « petite » déviation de la relativité générale est nécessaire pour assurer sa compatibilité avec le reste de la physique, et notamment la mécanique quantique. Cet effet étant minuscule, un instrument d’une grande exactitude est nécessaire pour le mesurer. Pour atteindre son exactitude de 10-16 en fréquence relative, PHARAO met en œuvre des principes de physique jusqu’alors inédits, comme la manipulation et le refroidissement d’atomes par laser, et dont la découverte a valu le prix Nobel de Physique à Claude Cohen-Tannoudji, du laboratoire Kastler Brossel, en 1997.

L’horloge utilise des faisceaux laser pour refroidir un nuage d’atomes de césium à des températures d’un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Dans cet état, ils s’agitent très peu et se laissent ausculter avec la plus grande précision. L’horloge tire aussi parti de sa situation en impesanteur, qui permet de laisser les nuages d’atomes « chuter » beaucoup plus longtemps. Pour ne pas perturber ces atomes, le vide qui règne à l’intérieur de l’horloge doit être bien meilleur que le vide spatial qui règne à l’altitude où vole l’ISS. Le projet cumule un grand nombre de défis techniques.

Un déplacement concerne toujours une longueur et un temps. Au début du XXe siècle, les théories de relativité restreinte et générale d’Albert Einstein ont profondément changé ces notions et ont montré qu'elles dépendent du repère dans lequel elles sont mesurées et du potentiel gravitationnel du lieu. Ainsi, en s’éloignant du sol, la gravité diminue, et le temps s’accélère. PHARAO, à bord de l’ISS vers 400 km d’altitude, permettra de mesurer ce décalage gravitationnel à un niveau sans précédent en comparant son temps avec les horloges des meilleurs laboratoires au sol. Son objectif consiste à porter la précision du décalage gravitationnel à un millionième pour détecter un éventuel écart par rapport à ce que prévoit la théorie de la relativité générale. 

Plusieurs laboratoires du CNRS ont participé à ce projet depuis son début, notamment, les laboratoires Laboratoire Temps-Espace (Observatoire de Paris-PSL) et Kastler Brossel (ENS). Ils ont été en charge de définir, réaliser et tester cette expérience et seront en charge de l’analyse des mesures.

Le Laboratoire Temps-Espace (LTE) de l’Observatoire de Paris-PSL, impliqué dès le début du projet PHARAO dans le cadre de la mission ACES, a participé à toutes les étapes de son développement. Après avoir conçu et testé le prototype de l’horloge en micropesanteur à bord de l’avion 0g du CNES, les équipes du LTE ont joué un rôle clé dans les tests environnementaux et de performance réalisés au CNES. Le laboratoire est également en charge des opérations des horloges au sol et de leur synchronisation avec les terminaux micro-ondes situés sur les bâtiments de l’Observatoire. Sur le plan scientifique, le LTE est responsable de l’analyse des données, depuis les données micro-ondes brutes jusqu'aux produits scientifiques finaux.