Le James Webb Space Telescope expliqué par ceux qui l'ont fait

Publié par Redbran le 02/12/2021 à 13:00
Source: Observatoire de Paris
Publié le 29 novembre 2021 sur The Conversation France


James Webb Space Telescope - © NASA

Cette fois, ça y est ! Le télescope James Webb Space Telescope, ou "Webb", est à Kourou et va être lancé par une fusée (Fusée peut faire référence à :) Ariane le 22 décembre 2021. Oui, c'est avec un retard de plus de 10 ans par rapport aux premières estimations ! Oui, son coût a été multiplié par 10 ! Mais la moisson scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) s'annonce exceptionnelle.

L'immense miroir du James Webb Space Telescope (Le James Webb Space Telescope (JWST), anciennement appelé « Next Generation Space...) ne rentre pas dans une fusée. Il faut le replier, puis le déplier une fois dans l'espace.
© NASA/Chris Gunn

Le Webb va permettre de sonder des zones du cosmos vierges d'observations, grâce à son miroir de 6,5 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), le plus grand jamais déployé dans l'espace, et ses quatre instruments observant dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...): NIRCam, NIRISS, NIRSpec et MIRI (les consonances en "IR" viennent de l'"infrarouge").

Webb, mission phare de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) et des agences spatiales européenne (ESA) et canadienne (CSA), va prendre le relais du télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) pour observer plus loin dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) oblige, il regardera ainsi plus tôt dans l'histoire, jusqu'aux moments où les premières galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) et les premières étoiles se sont formées. Mais il va aussi relayer le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) infrarouge Spitzer pour aller sonder les atmosphères d'exoplanètes, les étoiles et les systèmes planétaires en formation, l'évolution des galaxies...

En somme, tous les domaines de l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) vont en bénéficier.

Nous faisons partie des plus de 1 200 scientifiques de 14 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) à avoir contribué au développement du JWST. En France, nous avons surtout participé au développement de l'instrument MIRI, le seul des quatre instruments qui opère dans le domaine de l'infrarouge dit "thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...)". Observant dans les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) entre 5 et 28 micromètres, il sera le plus à même à observer le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et les poussières dans des objets beaucoup plus froids que des étoiles comme notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Il permettra par exemple de voir des étoiles jeunes encore profondément enfouies dans le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) de gaz et de poussières dans lequel elles se forment. MIRI sera également le complément indispensable à NIRCam pour identifier les premières galaxies de l'Univers.

L'épopée du télescope Webb

Initialement, il était loin d'être acquis qu'un instrument pour l'infrarouge thermique fasse partie de la suite instrumentale du JWST (appelé "next (NeXT Computer, Inc (devenue NeXT Software, Inc) était une entreprise d’informatique...) generation space telescope" à l'époque). Il a fallu convaincre la NASA et l'ESA de l'importance scientifique et de la faisabilité d'un tel instrument. L'un d'entre nous (Pierre-Olivier Lagage) faisait partie du petit groupe d'astrophysiciens qui ont milité en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) et aux US pour un tel instrument.

C'était... à la fin des années 90. Le lancement du Webb Telescope était alors prévu pour 2007. Mais le lancement de Webb a été repoussé de nombreuses fois et l'épopée de l'instrument MIRI illustre en fait bien les raisons de ces retards successifs.

Le Webb sera en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) à 1,5 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), soit 4 fois la distance Terre-Lune. Il ne sera pas possible d'aller le réparer en cas de problème, comme cela a été fait pour Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...), qui orbite à "seulement" 570 kilomètres de la Terre: lors de la mise en fonctionnement de Hubble, la qualité des images s'est avérée très décevante, mais l'installation par des astronautes d'un correcteur optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) a permis de rétablir la qualité image escomptée.


Amélioration de la qualité optique du téléscope spatial Hubble grâce à l'installation d'optiques correctives en 1993... alors que Hubble était déjà dans l'espace. Avant correction à gauche, après correction à droite.
© NASA

Pour Webb, nous n'avons pas le droit à l'erreur - d'où l'importance du travail de conception et de tests avant le lancement !

MIRI, un instrument de pointe pour les exoplanètes

MIRI est constitué de deux parties principales: un "imageur", qui permet de faire des photos (c'est la partie appelée "MIRIM", et un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...), qui permet d'étudier la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) reçue en fonction de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde - et donc, par exemple, de déterminer quels éléments chimiques sont présents dans l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) que l'on observe (c'est le "MRS"). Les performances de ces instruments placés au foyer du plus grand télescope spatial en opération seront sans précédent.

Dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), pour l'étude des exoplanètes, les retards du lancement de Webb sont une bonne nouvelle. En effet, ce domaine a explosé ces dernières décennies et nous disposons actuellement d'une richesse d'exoplanètes à observer, dont des planètes rocheuses, qui n'étaient pas connues en 2007.

On étudie désormais beaucoup les exoplanètes par la méthode dite "des transits": on scrute les infimes variations de la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) distante dues au passage d'une exoplanète (Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète orbitant autour d'une...) qui l'entourerait. MIRI a donc été "amélioré" pour utiliser cette méthode des transits. Il s'agit de lire seulement une petite partie du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...), afin de le faire très rapidement sans saturer le détecteur. Au fond, on "détourne" un peu le but premier du Webb, conçu pour observer des objets peu lumineux ou très lointains, pour profiter de sa grande sensibilité.

MIRI dispose aussi de "coronographes". Utilisés historiquement pour observer la couronne du Soleil en cachant le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) trop brillant qui empêche de voir les détails alentour, les coronographes ont été adaptés pour observer les étoiles, et ainsi distinguer d'éventuelles exoplanètes qui se trouveraient à proximité. MIRI emporte un coronographe classique (dit "de Lyot") et trois coronographes "à masque de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...)", très performants, et qui vont être pour la première fois envoyés dans l'espace.

Du berceau au décollage

Après plusieurs années d'études préliminaires, c'est en 2004 que la contribution française à MIRI a été approuvée par le CNES, le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).

Le modèle de vol de l'imageur MIRIM a été assemblé et testé au CEA Paris-Saclay en 2008 et 2009; un banc de test qui permet de reproduire les conditions de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et de froids que rencontrera MIRIM une fois dans l'espace a été développé spécialement pour l'occasion. En 2010, MIRIM a été envoyé au Rutherford Appleton Laboratory en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....) pour être couplé avec l'autre partie de MIRI, le spectromètre MRS, puis testé dans une chambre à vide suffisamment grande pour l'instrument complet.


L'instrument MIRI après assemblage de MIRI et MRS.
© Rutherford Appleton Laboratory

En 2012, MIRI a été envoyé au Goddard Space Center de la NASA, près de Washington, où il a été couplé avec les trois autres instruments du JWST. Trois séries de tests cryogéniques ont suivi entre 2012 et 2016.

Les 18 hexagones du miroir primaire du télescope ont aussi été assemblés au Goddard Space Center de novembre 2015 à février 2016. Les instruments ont été montés à l'arrière du miroir primaire du télescope et l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) a été envoyé en 2017 à Houston (Houston est une ville du Texas au sud des États-Unis. Avec une population de plus de...) pour être testé, car la station de test au Goddard Space Center n'était pas assez grande pour accueillir le télescope. L'équipe CEA était sur place pour les tests au moment où l'ouragan Harvey s'est abattu. Plus de peur que de mal; juste quelques nuits au laboratoire sans pouvoir regagner l'hôtel (Un hôtel est un établissement offrant un service d’hébergement payant,...) et une voiture complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) noyée !

Assemblage du télescope (miroirs dorés et instruments, dont MIRI) et du bouclier thermique (qui ressemble à du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) ou plastique et est déployé à 0:28 dans la vidéo).
© NASA Goddard

Une fois les tests finis, nous avons "laché" MIRI pour son voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel...) dans les locaux de la compagnie Northrop Grumman (Northrop Grumman Corporation est un conglomérat américain né de la fusion entre Northrop et...), en Californie, où il est arrivé début 2018. Là, le télescope a été couplé avec le satellite (Satellite peut faire référence à :) et les grands écrans thermiques qui vont empêcher les rayons du Soleil, de la Terre et de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) d'atteindre le télescope. Celui-ci pourra alors atteindre passivement une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) d'environ 45K (-228 ℃), nécessaire pour ne pas gêner les observations dans l'infrarouge.

Enfin, fin septembre 2021, Webb a quitté la Californie pour Kourou où il est arrivé après un voyage en bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...) de 16 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) qui l'a amené à passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) par le canal de Panama (bloqué quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) plus tôt!).

Le navire MN Colibri (Colibri est un terme utilisé dans le nom normalisé de nombreux Trochilidae ou...) est arrivé au Port de Pariacabo, sur la rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la...) Kourou, en Guyane française, le 12 octobre 2021. Dans un container spécialement conçu se trouve le James Webb Space Telescope. © Chris Gunn/NASA

Paré au décollage... et à débuter les tests et observations scientifiques

L'aventure spatiale va alors commencer le 22 décembre 2021, avec la série de tests sur le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) qui vont durer 6 mois. Puis, fin juin 2022, c'est l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) scientifique qui va pouvoir commencer, après trois décennies de développements.

Une petite partie du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) est réservée aux astrophysiciens ayant participé au développement instrumental. Dans ce cadre, nous coordonnons les observations qui seront consacrées aux exoplanètes, à la Supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) 1987a, et à deux régions photodominées.

L'essentiel du temps d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) sera "ouvert": chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) durant les 5 à 10 années de durée de vie (La vie est le nom donné :) de Webb, plusieurs appels pour l'utilisation du Webb sont programmés. Le premier appel a eu lieu en 2020. Plus de 1 000 demandes ont été déposées, impliquant plus de 4 000 astrophysiciens à travers le monde (Le mot monde peut désigner :). Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) d'observation demandées est très supérieur (4 à 5 fois) au nombre d'heures disponibles et la sélection a été faite par des comités de scientifiques. Il est satisfaisant de voir que MIRI est le deuxième instrument le plus demandé. Nous avons bien fait d'insister pour qu'il "monte" à bord du Webb !

MIRI est un instrument co-développé par un consortium de laboratoires spatiaux européens qui se sont occupé des aspects opto-mécanique, de l'assemblage et des tests d'ensemble de l'instrument, et le centre JPL de la NASA, qui a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) les matrices de détecteurs et le système de refroidissement de MIRI.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l'article original.
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