La merveille technologique qu’est le JWST va nous permettre de faire un saut dans nos capacités d’observation de l’Univers, proche et lointain

Le 22 décembre, l’ESA doit lancer à partir de Kourou le JWST (James Webb Space Telescope), nouveau télescope spatial, conçu et construit en coopération avec la NASA et l’ASC (Agence Spatiale Canadienne) et la participation de très nombreux contributeurs (voir ci-dessous, en fin d’article).

C’est un moment historique important pour plusieurs raisons. D’abord le JWST va remplacer le vieux Télescope Hubble. Ensuite il aura une puissance décuplée par rapport à son prédécesseur et il va repousser très loin notre horizon tout en nous permettant de voir dans l’espace proche des détails infiniment plus petits que ce que permettait Hubble et, surtout, toutes sortes d’objets peu ou non lumineux. C’est aussi l’achèvement d’une longue histoire qui a failli ne pas aboutir positivement et dont on peut tirer de nombreuses leçons. Enfin nous ne pourrons « vendre la peau de l’ours » que dans plusieurs semaines car, après le lancement, il y aura le déploiement du télescope et ce ne sera pas une mince affaire.

Il faut d’abord préciser que le JWST n’est quand même pas tout à fait Hubble. En effet il ne verra pas l’espace de la même manière que nos yeux (comme Hubble) puisqu’il ne sera sensible que marginalement à la lumière visible et bien davantage aux ondes juste un peu plus longues du spectre électromagnétique, celles qui vont de l’orange (à la limite du jaune) à l’infrarouge moyen, de 0,66 à 28 microns. A noter que la caméra WFC3 montée sur Hubble en 2009 permet seulement de descendre jusqu’à 1,7 microns. L’avantage c’est que la frange de visible permet de repérer les sources comme les télescopes ordinaires et que l’utilisation de l’infrarouge permet l’accès aux sources de très faible luminosité comme les exoplanètes, les étoiles naines-brunes, ou encore les objets très lointains dont la longueur d’onde du signal a été étirée par l’expansion de l’Univers et l’effet Doppler en résultant ; elle permet aussi de « voir » au travers de la poussière notamment dans les pépinières d’étoiles. L’avantage enfin c’est que l’accès à l’infrarouge depuis le sol de la planète est très difficile à cause de la lumière diffuse et de la température environnante de l’atmosphère et que le positionnement du JWST dans l’espace nous permettra d’en sortir.

C’est en effet pour cela que non seulement le JWST va être envoyé dans l’espace mais aussi que l’on prend des précautions extraordinaires pour que l’environnement dans lequel on veut collecter les infrarouges, soit aussi froid que possible. Il va donc être positionné en orbite autour de L2, un point de Lagrange d’une certaine stabilité même s’il est considéré comme instable par rapport à L4 et L5 (il faudra des corrections de trajectoire de temps en temps), le « dos » non seulement à la lumière du Soleil mais aussi à la lueur de la Terre, à 1,5 millions de km de celle-ci. L’orientation devra être scrupuleusement maintenue et elle le sera d’autant mieux que son orbite autour de L2 sera perpendiculaire à celle de la Terre). Mais il ne suffit pas que l’environnement du capteur soit froid, il doit être très froid pour que le moins de bruit de fond (la chaleur) possible n’occulte le rayonnement reçu le plus « rouge » possible (un peu comme dans le domaine du visible il nous faut la nuit pour voir les étoiles).

On a donc conçu tout un dispositif compliqué et fragile pour maintenir la plus basse température possible. Le bouclier, en même temps radiateur, est constitué, sur une épaisseur de 1,5 mètres, de cinq couches (14,16 x 22 mètres de surface) séparées, de « kapton », un film polymère stable sur une gamme très ouverte de températures, ultrafin et revêtu d’une fine couche d’aluminium. La face exposée au Soleil est traitée pour être particulièrement réfléchissante. Chaque couche, protégée par la précédente, est plus froide qu’elle et évacue la chaleur vers l’extérieur (effet radiateur) de telle sorte qu’on puisse passer de +125°C sur la face la plus exposée au Soleil à -235°C sur la dernière face avant le télescope (rappelons que le zéro absolu, 0 Kelvin est à -273,15°C).

A l’abri de ce bouclier va se déployer un objet magnifique, le miroir primaire, constitué de 18 segments hexagonaux, d’un diamètre total de 6,5 mètres de diamètre (surface de collecte de 25 m2), à comparer aux 2,4 mètres de Hubble. A noter que cette dimension, outre qu’elle permettra de recevoir davantage de rayonnements, est en partie justifiée par la longueur des ondes les plus longues que l’on veut capter. En effet les ondes infrarouges étant plus longues que les ondes visibles, on a besoin d’une surface plus grande pour que l’image qu’elles nous communiquent soit suffisamment fine. Dit autrement, la surface de collecte renforce l’acuité du télescope donc son pouvoir de résolution. Ce dernier sera comme celui de Hubble, de 0,1 seconde d’arc mais pour des ondes beaucoup plus longues (donc des lumières beaucoup plus faibles). Les segments de miroir sont en béryllium, un métal particulièrement stable et léger, recouvert d’une pellicule d’or, métal choisi pour ses vertus réfléchissantes dans l’infrarouge.

Le miroir primaire va renvoyer les ondes reçues vers un miroir secondaire, également en béryllium, tenu en avant du premier, « à bout de bras », par trois tiges de 7,60 mètres de long. Il réfléchira le rayonnement vers un troisième miroir, au centre du premier, qui sera la porte aux instruments qui, protégés au pied du miroir primaire contre les températures extrêmes, vont traiter le rayonnement reçu. Les données seront transmises ensuite par une antenne à grand gain orientée vers la Terre.

Il y a quatre instruments dans le cœur de ce qu’on doit considérer comme un véritable observatoire plutôt qu’un simple télescope, MIRI (Mid Infrared Instrument), FGS/NIrISS (Fine Guidance Sensor & Near Infrared Imager and Stiltless Spectrograph) , NIRSpec et NIRCam (Near Infrared Camera).

MIRI est un instrument (imageur et spectromètre) de l’extrême puisqu’il collecte les rayonnements les plus longs (entre 5 et 29 microns) donc les moins chauds. Il est refroidi en dessous de la température déjà très froide de l’ensemble du télescope, jusqu’à -266°C par un liquide cryogénique, et il est équipé d’un coronographe (par « masque de phase ») qui permet d’éviter que l’image froide soit inondée par la lumière de la source lumineuse la plus proche (le plus souvent l’étoile de la planète visée). L’objet est cosmologique, recherche de la « première lumière » au sortir des « âges sombres », et astrophysique, la formation des étoiles et la formation des systèmes planétaires. C’est une contribution de l’ESA (10 pays dont la Grande Bretagne, la France et la Suisse) et de la NASA.

FGS et NIrISS. FGS est un pointeur pour cibler l’objectif avec la plus grande précision (de l’ordre du millionième de degré). Il a pour cela été qualifié de « volant du Webb ». NIrISS est un spectrographe qui opérera dans les longueurs d’onde allant de 0,8 à 5 microns. Son objet est la détection des exoplanètes et leur caractérisation ainsi que la spectroscopie par transit (analyse de l’atmosphère lors du passage de la planète devant son étoile). En outre il étudiera les lumières les plus faibles de l’univers. FGS et NIrISS sont une contribution de l’ASC.

NIRSpec pourra prendre le spectrogramme de 100 objets simultanément, en moyenne résolution sur les longueurs d’onde de 1 à 5 microns et en résolution plus basse pour les longueurs d’onde allant de 0,6 à 5 microns. Il doit fournir des spectrogrammes de galaxies à très grands décalage vers le rouge, d’exoplanètes en transit, de disques protostellaires ou protoplanétaires. Il a été construit par ASTRIUM, c’est une contribution de l’ESA.

NIRCam est un imageur qui opère dans les longueurs d’onde 0,6 à 5 microns. Son objet est l’étude des premières phases de formation stellaire et galactique, la morphologie et les nuances de couleurs des galaxies à très grand décalage vers le rouge, les courbes de lumière des supernovæ distantes, la détection de matière noire via les effets de lentilles gravitationnelles, l’étude des populations d’étoiles dans les galaxies proches, l’imagerie et la spectroscopie des proto-étoiles, disques protoplanétaires, exoplanètes. Il est fourni par l’Université d’Arizona et le Centre de Technologie de Pointe de Lockheed Martin.

NIRCam est comme FGS un auxiliaire à l’observation pour les autres instruments car il sera également utilisé comme analyseur de front d’ondes pour contrôler l’alignement et le phasage du miroir primaire.

L’humanité va donc disposer très bientôt (6 mois après le lancement) d’un nouveau moyen d’observation qui lui permettra de faire un saut dans sa connaissance de l’Univers aussi bien proche que lointain. Il y aura un « avant » et un « après » JWST comme il y a eu un avant et un après Hubble. Ceci dit l’accouchement a été très pénible.

Le projet a commencé au stade de la réflexion en 1989 (il y a 32 ans !) mais ce n’est qu’en 1996 qu’on obtint une première étude de faisabilité. Le miroir primaire, à l’époque devait mesurer 8 mètres de diamètre et couter 500 millions. L’objectif de réalisation était 2007 (il y a 14 ans !). Entre 1997 et 2001, on précisa les spécifications et la NASA lança la collaboration avec l’ESA et l’ASC. Pour réduire le coût, on réduisit le diamètre du miroir primaire à 6 mètres mais le devis monta quand même à près de 2 milliards (un coût qui restait « normal » pour une sonde importante).  Entre 2003 et 2004, une autre avancée dans la préparation conduisit à la sélection des constructeurs et au choix du béryllium pour les segments du miroir primaire. On atteignit les 3 milliards…et le dérapage commença. En 2005 on repartit de zéro. Au fur et à mesure du temps, les problèmes se posèrent (tests, pliage), la date de mise en service s’éloigna et les coûts montèrent : 2010 prévu en 2003 ; 2014 et 5 milliards en 2009 ; 2018 et plus de 8 milliards en 2011. Le Sénat grinça, gronda et tonna puis céda pour augmenter le financement. Le plafond fut finalement irrémédiablement fixé à 10 milliards. On atteignit la somme en 2018 tandis que la date de lancement s’éloignait encore : 2019 en 2017 ; 2020 en 2018 ; Octobre 21 en 2020 et finalement Décembre 2021 en 2021 ! En fait le JWST a été terminé en juin 2016 mais les tests ont été plus difficiles que prévu (rendant notamment nécessaire la reconfiguration de la plus grande chambre à vide cryogénique au monde), il y a eu la covid et un problème avec le lanceur Ariane V, tout, y compris le « pas de chance » (déchirure du pare-soleil et in fine, fin novembre 2021, détachement trop brutal de la sangle liant la sonde à son support fixe au sein du lanceur qui a peut-être causé quelques dégats à la sonde et force le report du lancement du 18 au 22 décembre…au plus tôt) !

Ceci dit même après le lancement (par une fusée Ariane V de l’ESA à Kourou) nous ne serons pas au bout de nos épreuves car compte tenu de sa taille, le JWST a dû être replié à l’extrême (on parle d’un « origami ») et le déploiement sera pour le moins délicat. Voyez l’image ci-dessous et comparez là à l’illustration de titre (vue d’artiste NASA). En même temps, comparez la taille du télescope et comparez là à celle de l’homme qui se trouve en bas à droite. On peut espérer que lorsque le Starship d’Elon Musk sera opérationnel on ne sera plus obligé de faire ces pliages dantesques !

Liens :

https://fr.wikipedia.org/wiki/James-Webb_(t%C3%A9lescope_spatial)

https://fr.wikipedia.org/wiki/Hubble_(t%C3%A9lescope_spatial)

https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/index.html

https://www.jwst.fr/

https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=actu&id_ast=2302

http://www.exoplanetes.umontreal.ca/niriss-et-jwst-le-canada-a-lavant-plan-de-letude-des-exoplanetes/

Contributeurs au JWST :

Au nombre de 306 dans le monde dont 153 américains, 14 canadiens et 173 européens dont 8 suisses : Syderal SA, Neuchâtel / Swiss Space Office / Ruag / Physikalisches Institut, Bern / Paul Scherrer Institute, Villigen / Observatoire de Genève / ETH, Institute for Particle Physics and Astrophysics, Zurich / APCO Technologies SA, Aigle / La participation Suisse concerne surtout MIRI, l’instrument le plus délicat du JWST puisque c’est celui qui observera dans l’environnement le plus froid.

https://quanz-group.ethz.ch/research/instrumentation/jwst.html

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 21 11 14

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

3 réponses à “La merveille technologique qu’est le JWST va nous permettre de faire un saut dans nos capacités d’observation de l’Univers, proche et lointain

  1. Le JWST dès de départ, on sait qu’il ne fonctionnera au mieux que pendant 10 ans, est très complexe à déplier (je vois déjà “thirty days of terror” )…. J’espère que le LUVOIR pourra être monté, assemblé et déplacé, une fois en orbite et inspecté par des robots ou/et astronautes. L’idéal c’est de monter un télescope en pièces détachées en orbite et l’assembler sur une plateforme dans l’espace.

    1. Oui j’ai moi aussi hâte que le LUVOIR soit construit et lancé.
      Pour ceux qui ne connaissent pas LUVOIR, c’est un télescope géant (avec un miroir primaire de 8 ou 15 mètres de diamètre) que la NASA veut lancer dans la décennie 2025 à 2035. Il sera(it) comme Hubble, un télescope qui recueille des ondes visibles. Il sera(it) comme le JWST positionné en L2…enfin si le projet devient réalité. Il y a malheureusement toujours une distance entre le rêve et la réalité.

  2. Excellent. On se croise les doigts pour le succès du lancement au 22 décembre. Comme le souligne le Professeur émérite canadien Doyon de Montréal , https://youtu.be/3Y2rkVrwfPM, le télescope James-Webb permettra aussi d’observer le potentiel de vie extraterrestre sur des exo-planètes (un sujet abordé précédemment en débat sur ce blog). 200 heures du télescope y sera consacrée par l’équipe de Montréal (sur les 400 heures allouées) avec des chercheurs canadiens, suisses et américains. Le système planétaire Trappiste 1 (avec 7 planètes dont 3 en zone potentiellement habitable tournant autour d’un soleil de petite taille… ie celle de Jupiter) est notamment le premier candidat à la recherche du potentiel de vie sur les 4000 exoplanètes détectées environ jusqu’à présent. Que de progrès depuis la première détection d’exoplanètes par les suisses romands !

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