James Webb Space Telescope

Le James Webb Space Telescope (JWST), anciennement appelé « Next Generation Space Telescope » (NGST), est un télescope spatial développé par la NASA avec le concours de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de l'Agence spatiale canadienne (CSA). Il doit succéder en 2014 au télescope spatial Hubble pour l'observation dans l'infrarouge mais ne permet pas, comme celui-ci, d'observer le spectre lumineux dans l'ultraviolet et en lumière visible.

JWST est un télescope qui effectue ses observations dans l'infrarouge. Il est doté d'un miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre contre 2,4 mètres pour Hubble) : son pouvoir de résolution atteint 0,1 seconde d'arc dans l'infrarouge (0,6' à 27 microns de longueur d'onde) et il peut collecter une image 9 fois plus vite que Hubble. La résolution de ses instruments doit être utilisée, entre autres, pour observer les premières étoiles et galaxies qui se sont formées après le Big Bang.

Le projet, qui a démarré en 2002, est en 2009 en fin de phase de conception et début de phase de fabrication. Le télescope doit être lancé par une fusée Ariane 5 depuis Kourou et sera positionné au point de Lagrange L2 à 1,5 million de km de la Terre. Il est prévu que sa mission dure 5 ans avec une possibilité de prolongation.

Les quatre principaux objectifs scientifiques du JWST sont :

• la recherche de la lumière des premières étoiles et galaxies qui sont apparues dans l'univers après le big bang,
• l'étude de la formation de la galaxie et de son évolution ;
• la compréhension des mécanismes de formation des étoiles ;
• l'étude des systèmes planétaires et de la formation de la vie.

Tous ces objectifs sont remplis de manière plus efficace en étudiant le rayonnement infrarouge que la lumière visible. Le décalage vers le rouge, la présence de poussières et la température très faible de la majorité des objets étudiés nécessitent que le télescope fasse ses observations dans l'infrarouge sur une longueur d'ondes comprise entre 0,6 et 28 microns. Pour que ces mesures ne soient pas perturbées par les émissions dans l'infrarouge en provenance du télescope lui-même et de ses instruments, l'ensemble doit être maintenu dans une gamme de températures (aux alentours de 40 K (soit -233,15°C).

À cet effet le télescope comporte un vaste bouclier thermique métallisé qui renvoie les rayons infrarouges en provenance du Soleil, de la Terre et de la Lune. Le JWST sera positionné au point de Lagrange L2 ce qui permet au télescope d'avoir systématiquement le bouclier thermique entre ses capteurs et les 3 astres.

Le télescope JWST prend le relais du télescope spatial Hubble qui arrivera en fin de vie au moment de son lancement. Il ne couvre toutefois qu'une partie du spectre lumineux dans le visible que pouvait observer son prédécesseur.

D'une masse d'environ 6 200 kg, l'observatoire spatial doit être mis en orbite en juin 2014 par une Ariane 5 ECA depuis le centre spatial de Kourou en Guyane française. Après avoir rejoint le point de Lagrange L2 distant de 1,5 millions km de la Terre, il doit subir une phase de test de 6 mois destinée à vérifier le fonctionnement de ses instruments et les étalonner. Le télescope entamera alors sa mission scientifique. Il est prévu que sa durée de vie soit au minimum de 6 ans mais son fonctionnement peut être prolongé au-delà de cette durée et le télescope a été conçu à cet effet.

Contrairement au télescope spatial Hubble situé à 600 km d'altitude seulement, il n'est pas prévu de réaliser des opérations maintenance ou de correction en cas d'erreur de conception. Son éloignement empêche toute intervention humaine.

Le développement du télescope, à l'époque baptisé « Next Generation Space Telescope » (NGST) est envisagé par la NASA depuis de nombreuses années mais n'a été lancé qu'en 2002 avec une date de mise en service prévue en 2010. À cette époque il a été rebaptisé « James Webb Space Telescope », en hommage au second administrateur de la NASA, James E. Webb.

Le télescope comprend 4 sous-ensembles :

• la plate-forme (ou bus) qui regroupe toutes les fonctions de support : contrôle et maintien de l'orbite, alimentation électrique, contrôle thermique et communications avec la Terre et entre les équipements de l'observatoire ;
• le bouclier thermique qui doit protéger les parties les plus sensibles du télescope des infrarouges en provenance du Soleil, de la Terre et de la Lune ainsi que de ses propres équipements ;
• le télescope qui collecte le rayonnement infrarouge et le renvoie vers les instruments scientifiques ;
• la charge utile qui porte l'appellation d'ISIM (Integrated Science Instrument Module) et a la forme d'un boitier quadrangulaire dans lequel sont regroupés les 4 instruments scientifiques qui doivent analyser le rayonnement infrarouge collecté.

La plate-forme

L'observatoire s'articule autour de la plate-forme qui comprend les panneaux solaires pour produire l'énergie électrique, les petits moteurs-fusée et les réservoirs d'ergols qui permettent à l'observatoire spatial de corriger son orbite et participent au pointage du télescope, les antennes permettant de recevoir les instructions depuis la Terre et de renvoyer les données scientifiques et les paramètres de fonctionnement, l'électronique et l'informatique qui gère le fonctionnement du télescope et enfin un système de réfrigération utilisé pour refroidir un des instruments. Le contrôle de l'orientation est primordial pour effectuer les observations de longue durée qui exigent une précision de 0,01µrad.

Le bouclier thermique

Le bouclier thermique est composé d'une grande surface de forme hexagonale allongée, de la taille d'un court de tennis constitué de 6 couches de polymère métallisé. Un ensemble de poutrelles et de câbles permet son déploiement une fois le télescope en orbite. Il divise l'observatoire spatial en deux parties : une partie chaude exposée au rayonnement en provenance du Soleil de la Terre et de la Lune. De ce côté se trouve également la plate-forme qui est elle-même une source d'infrarouge. La partie froide sur l'autre face du bouclier thermique comprend le télescope et les instruments scientifiques. Le bouclier permet également de réduire les variations thermiques qui pourraient déformer le miroir primaire.

Le télescope

La partie optique comprend 2 miroirs. Le réflecteur primaire d'un diamètre de 6,5 m environ et d'une masse de 705 kg, qui se compose de 18 éléments hexagonaux en béryllium, un peu moins de trois fois le diamètre du télescope Hubble (2,4 m). Son pouvoir de résolution atteint 0,1 seconde d'arc dans le domaine infrarouge (0,6' à 27 microns de longueur d'onde). Contrairement à Hubble il ne permet pas d'observer le spectre lumineux dans l'ultraviolet et le visible. Il est lancé replié pour tenir sous la coiffe de la fusée. Le miroir secondaire concentre la lumière du miroir primaire et la renvoie vers les instruments stockés dans l'ISIM. Le miroir primaire, qui a une surface 6 fois plus importante que Hubble permet au télescope de collecter 9 fois plus vite une image que son prédécesseur.

Le béryllium a été retenu parce que c'est un métal résistant, léger et d'une bonne tenue mécanique aux températures très froides prévues. La couche de béryllium est épaisse de 1 mm ce qui permet de limiter la masse totale du miroir primaire à 625 kg contre 1 tonne pour le miroir en verre de Hubble. L'optique est optimisée pour le proche et le moyen infrarouge mais permet de recueillir une partie des rayonnements du spectre visible.

Les instruments scientifiques

L'ISIM comprend 3 instruments principaux et un instrument secondaire :

• NIRCam (Near-InfraRed Camera) est une caméra grand champ fonctionnant dans le proche infrarouge de 0,6 à 5 µm ;
• NIRSpec (Near-InfraRed Sprectrometer) : est un spectromètre multi-objets fonctionnant dans le proche infrarouge de 1 à 5 µm ;
• MIRI (Mid InfraRed Instrument) : est un ensemble comportant une caméra et spectromètre fonctionnant dans l'infrarouge moyen de 5 à 28 µm ;
• le FGS (Fine Guidance System), système de guidage fin, inclut un filtre imageur dans le proche infrarouge couvrant les longueurs d'ondes de 0,6 à 5 µm.

En 2005 le cout du projet était estimé à 4,5 milliards de dollars dont 3,3 milliards pour la conception, la construction, le lancement et la mise en marche et environ 1 milliard pour la phase opérationnelle estimée à 10 ans.

L'Agence Spatiale Européenne ESA contribue à hauteur de 300 millions d'euros. Ce budget comprend :

• la prise en charge du lancement par une fusée Ariane 5 ;
• la réalisation de l'imageur MIRI développé sous maitrise d'œuvre du CNES ;
• la réalisation de l'instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) développé par Astrium.

L'agence spatiale canadienne contribue au projet à hauteur de 39 millions de dollars canadiens. Le Canada doit développer l'instrument FGS (Fine Guidance Sensor).

Le programme JWST se trouve dans la phase finale de conception et de fabrication (Phase C). Le télescope a réussi en mars 2010 la revue critique de conception qui confirme la capacité de l'instrument et du satellite à remplir ses objectifs scientifiques. Les 18 éléments du miroir primaire sont dès à présent en cours d'achèvement. La fabrication de la structure qui supporte le miroir est bien avancée. Les modèles de vol des trois instruments principaux doivent être livrés début 2012 pour l'intégration et les tests du télescope entier.

Northrop Grumman est l'industriel chef de file pour la construction du télescope. Le miroir est fourni par la firme américaine Ball Aerospace. Les instruments sont développés par un grand nombre de laboratoires de recherche répartis dans le monde entier.