Avec le JWST, l’observation par les ondes infrarouges est sur le point de révolutionner l’astronomie

Le rayonnement infrarouge est porteur d’une richesse considérable d’informations sur l’espace. C’est notre capacité à positionner des télescopes hors de l’atmosphère terrestre et à les protéger de la chaleur environnante qui nous permet aujourd’hui de l’exploiter. Le télescope JWST qui est équipé précisément pour ce faire et le plus grand jamais lancé, nous offre la perspective d’un véritable saut en astronomie.

Le rayonnement infrarouge est un des segments du spectre électromagnétique. Il se situe entre le domaine du visible et celui des micro-ondes, dans des longueurs d’ondes qui vont de 0,78 µm (au plus près du spectre visible) à 5 mm (au plus près des micro-ondes). Il se divise entre infrarouge proche – « PIR » – (0,78 µm à 3 µm), infrarouge moyen – « MIR » (3 µm à 50 µm) et infrarouge lointain – « LIR » (de 50 µm à 5 mm).

Il est seulement notable par sa manifestation thermique. C’est d’ailleurs la gradation de cette manifestation qui permet de faire la différence entre les sous-segments PIR, MIR, LIR du segment infrarouge. A noter que toute manifestation thermique est due au déplacement d’énergie du chaud vers le froid et que donc d’autres segments du même spectre électromagnétique traduisent aussi un transfert de chaleur (mais pas seulement). A noter également que les mêmes sources peuvent rayonner dans plusieurs segments de longueur d’ondes (visible, infrarouge ou autres) mais que certains astres, les plus froids ou les moins lumineux, ne rayonnent que dans ce segment infrarouge ou en dessous (longueurs d’ondes encore plus grandes, à commencer par les ondes radio voisines). Par ailleurs l’atmosphère (terrestre, pour ce qui nous concerne) diffuse ou bloque le rayonnement thermique (selon la longueur d’ondes) et empêche l’observation dans la plupart des longueurs d’ondes du segment infrarouge à partir de la surface de la planète.

La conséquence de cette manifestation thermique est que, pour l’observation, il est nécessaire que non seulement l’atmosphère soit absente ou aussi ténue que possible mais aussi que l’environnement du capteur soit d’une température inférieure à celle du rayonnement que l’on veut capter. C’est pour cela que le JWST qui est conçu pour exploiter à partir de l’espace les sous-segments infrarouges les plus éloignés du visible, doit être particulièrement protégé, d’où (1) son positionnement au point de Lagrange L2 avec orientation du système de collecte (et d’abord son miroir primaire) dans la direction opposée au Soleil, (2) son bouclier thermique et (3) un liquide de refroidissement (hélium) pour les observations aux plus basses températures (en dessous des températures prévalant dans l’espace non éclairé au voisinage de la Terre).

Mais que peut-on « voir » en infrarouge ? Outre les sources proprement visibles, toutes les sources « froides », c’est-à-dire celles dont la lumière qui nous parvient est à la limite ou en-dessous du seuil de visibilité. Il peut s’agir de tous les astres dont la lumière apparente n’est qu’une réflexion de leur étoile et donc faible…et des autres qui ne réfléchissent pratiquement aucune lumière mais qui sont moins froides que leur environnement parce que leur masse génère de la chaleur par gravité, et parce que leurs composants instables suivent un processus de dégradation continue générateur de chaleur (radio-activité).

Dans notre système, il peut s’agir des astéroïdes proches et lointains. Il peut s’agir des planètes naines perdues dans la Ceinture de Kuiper (les « KPO »). Il peut éventuellement s’agir de la fabuleuse « Planète 9 » qui se « balade » dans cette zone et dont la masse serait au moins égale à celle de la Terre.

A l’extérieur de notre système et dans notre environnement galactique proche, il peut s’agir des exoplanètes les plus intéressantes du point de vue de la recherche d’une vie éventuelle parce qu’elles sont semblables à la Terre et parce qu’on a beaucoup de mal à les voir en ondes visibles. Elles sont petites comme la Terre et elles orbitent des astres très lumineux, comme notre Soleil, devant lesquels elles passent très rarement (toutes choses égales par ailleurs, environ une fois par an, comme notre Terre). Cela nous changera des exoplanètes orbitant les naines-rouges ou des planètes géantes orbitant les étoiles plus lumineuses (que les media nous présentent à chaque fois comme des « nouvelles-terres » mais qui n’en sont pas). Il y a beaucoup moins de différence d’intensité de rayonnement entre l’infrarouge reçu d’une planète et l’infrarouge reçu de son étoile qu’entre leurs rayonnements respectifs reçus dans le spectre visible. Et on pourra encore « arranger les choses » en utilisant de bons coronographes « à masque de phase » pour occulter la lumière plus intense de l’étoile. Il peut aussi s’agir de planètes-orphelines qui, pour une raison ou une autre, ont rompu les amarres avec leur système d’origine et qui errent dans l’espace interstellaire. Il peut bien sûr s’agir de naines brunes, astres plus chauds qu’une planète mais d’une température trop faible pour rayonner dans le visible.

En allant plus loin, nous pourrons entrer dans les pépinières d’étoiles ou « nuages-moléculaires », riches en poussière, occultants dans le visible, car l’infrarouge se joue de cette difficulté, le critère n’étant plus le photon mais la chaleur qui passe et qui transperce ou qui « éclaire » cet environnement. Nous pourrons y voir des étoiles en formation, déjà chaudes de leur accrétion mais dont la première lumière n’a pas encore jailli.

En allant encore plus loin nous pourrons courir après les astres les plus lointains qui, il y a plus de 13 milliards d’années, ont émis dans une longueur d’ondes plus courtes mais qui sont tellement distants aujourd’hui que leur « lumière reçue » s’est considérablement étirée vers le rouge du fait de leur vitesse d’éloignement (dilatation de l’Univers). Nous avons ainsi de bonnes chances de découvrir toute une population de galaxies primitives, surtout les premières qui, au-delà de « GNz11 » dont la lumière a mis 13,3 milliards d’années pour nous parvenir et qui est la plus lointaine identifiée aujourd’hui, se sont formées après la ré-ionisation de l’Univers qui a débouché sur la sortie des Ages-sombres. Hubble a vu GNz11 parce que la lumière de ses étoiles a été émise en ultraviolet ; mais si elle l’avait été en visible, elle ne serait observable que dans un infrarouge très profond (LIR). Avec le JWST on pourra voir dans ce LIR, et on peut espérer remonter jusqu’à 13,4 milliards d’années, voir de nombreuses galaxies de cette époque et tirer des généralisations sur la formation de ces galaxies.

Tout cela le JWST devrait pouvoir nous l’apporter avec une précision (« résolution angulaire ») aussi bonne que celle de Hubble sur des objets d’une luminosité cent fois plus faible. Il ne manque plus que la « mise en place ». Décollage le 24* décembre, voyage vers le point de Lagrange L2 (1,5 millions de km tout de même), déploiement de l’« origami » (c’est comme cela que l’on appelle le « pliage » de la sonde d’après le nom des pliages en papier sophistiqués des Japonais ) et première lumière…six mois après (été 2022). Prions que tout ce processus très complexe et délicat se déroule correctement.

*la date a encore changé. Espérons que ce soit la bonne!

Illustration de titre : NASA & K Luhman (Harvard-Smithonian Center for Astrophysics). Les étoiles enveloppées dans leurs nuages de poussière (à gauche, en visible) sont déshabillées lorsqu’on les observe dans leur rayonnement infrarouge (les mêmes étoiles, à droite).

Référence : Ciel & espace (revue de l’association française d’astronomie) n°580 (Nov. Dec. 2021)

https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared

Illustration ci-dessous: spectre électromagnétique, atmospheric electromagnetic transmittance or opacity.jpg. crédit NASA

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.

17 réponses à “Avec le JWST, l’observation par les ondes infrarouges est sur le point de révolutionner l’astronomie

    1. Merci, mais sujet ôh combien complexe pour un néophyte.
      Cependant, un chiffre me surprend dans votre article:
      ……Comme sa masse totale est de 2 10^27 tonnes….
      Q:
      Comment évaluer cette masse alors qu’on est, je crois, en fusion nucléaire, donc la calculer est-il encore possible?
      Merci pour l’éclairage (si je puis dire)

      1. On peut calculer la masse du Soleil qui, comme on l’a vu, ne diminue que très très lentement par le rayonnement énergétique du Soleil. Cela grâce à la 3e loi de Kepler : a^3/T^2 = constante, où a est le demi-grand axe de l’orbite d’une planète tournant autour du Soleil et T sa période de révolution. On sait aussi que la constante = G M/4 pi^2, où G est la constante de la gravitation et M la masse du Soleil, cela en négligeant la masse de la planète devant celle du Soleil. Connaissant a, T et G, on calcule M.
        Ultimement, comme la masse du Soleil diminue avec le temps, l’orbite des planètes s’élargit peu à peu, le demi-grand axe a croît et la période T également, mais un peu plus, car la constante diminue.

        1. Passionnant,
          Cela signifie aussi qu’à quelques millions d’années près, la terre était inhabitable dû à un soleil trop “chaud” (uniquement bactéries) et dans “un certain temps” (de Funès) il ne sera plus assez chaud pour que les mammifères puissent encore y vivre (nourriture).
          La somme des hasards pour que l’Homme ait pu apparaître est incroyable et la probabilité que cela se soit produit ailleurs sous cette forme, dans notre espace-temps actuel, est vraiment infime. Peut-être à d’autres moments durant les quelques milliards d’années de l’Univers.

          1. Oui mais encore ce n’est pas si simple. La combustion interne de l’hydrogène en hélium va finir par faire gonfler le Soleil parce que cette combustion va de plus en plus concerner des couches d’hydrogène éloignées du centre. Lorsque le phénomène s’accentuera le Soleil deviendra une géante rouge et son atmosphère englobera la Terre (même si elle s’éloigne un peu de son orbite actuelle). Dans quelques 500 à 800 millions d’années il fera sans doute trop chaud pour que la vie subsiste en surface de notre planète. De toutes façons il n’y aura sans doute plus suffisamment de CO2 libre dans l’atmosphère pour la photosynthèse.
            Par ailleurs, la vie aurait été impossible il y a quelques milliards d’années car l’Univers dans son ensemble n’avait pas encore produit suffisamment de métaux (éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium). La métallicité de l’environnement est une condition essentielle à la vie et elle était trop faible dans les premiers milliards d’années de l’Univers quand il n’y avait pas eu suffisamment de supernovae permettant la synthèse et la diffusion de ces métaux.

  1. Globalement, dans le passé du Système solaire, on sait que la luminosité et le rayon du Soleil ont continuellement crû et continueront de le faire dans le futur — jusqu’à doubler dans 6 à 7 milliards d’année d’ici —, la température de surface du Soleil également, mais de façon bien plus modeste. La constante solaire de la Terre (valeur actuelle moyenne 1’361 W/m^2), dont il a été question ci-dessus, est évidemment dépendante de la variation de luminosité du Soleil. On peut alors dire que toutes deux ont été plus faibles dans le passé qu’aujourd’hui, et cela d’au moins 25% il y a 4 milliards d’années, leur croissance étant assez linéaire avec le temps.

    D’autre part, le Soleil montre des cycles d’activité bien connus, d’environ 22 ans, divisés en deux demi-cycles de 11,2 ans en moyenne (de fait avec une variation extrême possible entre, rarement, 8 et 15 ans), qui correspondent chacun à une inversion du champ magnétique solaire. Durant ces cycles de 11 ans, l’irradiation solaire varie de seulement 0,12 à rarement 0,2% ( soit une variation moyenne de la constante solaire de 1,6 W/m^2), entraînant sur Terre une variation cyclique de température de 0,1 °C, effet qui ne semble pas suffisant à lui seul pour produire des changements climatiques observables.

    Les fameux minima de Maunder et de Dalton (du nombre de taches solaires et donc de l’activité solaire) durant les périodes 1645 à 1715 et 1800 à 1840 correspondent à une diminution d’au moins 0,25% de l’irradiance solaire ayant eu comme conséquence un abaissement certain de la constante solaire (environ -3,4 W/m2) et par là des températures terrestres.

    Mais il faut tenir compte d’autre chose : la forme du spectre émis par le Soleil ne varie pas uniformément avec la variation de sa luminosité. En effet les rayons X et UV extrêmes (E-UV, 10 à 121 nm) varient, quant à eux d’un facteur 5 (donc de 500% !), alors que les UV lointains (F-UV, 12-200 nm) varient de 10 à 50%. Malgré la petitesse de la variation totale, il existe donc un autre forçage sur le climat terrestre dû aux cycles d’activité solaire, principalement provoqué par une action de ce rayonnement UV sur l’ozone contenu dans la stratosphère. Ce mécanisme illustre comment un petit changement dans le budget énergétique total reçu du Soleil peut s’amplifier, via un mécanisme de feedback, jusqu’à des variations mesurables dans le climat terrestre.

  2. avec le pognon du jwst, on aurait pu construire combien d’hopitaux, d’ecoles , d’energie renouvelable ?
    continuons à depenser un “pognon de dingue” (dixit macron) dans les hobbies d’une poignée de “scientifiques”, et laissons crever la planète terre .
    on sera bien avancés de savoir ce qu’il s’est passé il y a 6-7 milliards d’années ( ce dont se moquent 99% des terriens) quand l’espece humaine sera à l’agonie .
    après tout bon débarras , ce sera mérité.

    1. Et bien figurez vous que la recherche scientifique et plus précisément celle tournée vers l’espace, me passionne et que je ne suis pas le seul. La connaissance donne tout son sens à la vie. Vos préoccupations purement végétatives ne m’intéressent que très modérément et vos obsession écologiques m’insupportent.

  3. Une notion de la physique de la matière m’échappe complètement qui est la capacité aux photons d’être lumineux pendant des millards d’années, puisqu’on va justement observer ceux émis “juste après” le Big Bang.
    Merci pour vos explications.

    1. Les photons qui ont été émis lors de leur libération de la matière, en nous laissant accessible à la “vue” la surface de dernière diffusion, 380000 ans après le big-bang, existent toujours s’ils n’ont pas rencontré d’obstacle. Le problème c’est qu’avec l’expansion de l’univers, leur longueur d’onde s’est considérablement étirée et qu’ils ne sont plus observables dans le segment visible du spectre électromagnétique mais dans celui des micro-ondes (effet Doppler).

  4. Bonjour,

    Sauf erreur de logique : la vitesse de la lumière est constante ( pas seulement sur terre, dans du vide à 20° ) mais partout , y compris dans du verre ou l’on doit revoir le ‘temps de ce dernier’ pour garder cette constante…
    Ce que l’on va observer ne sera pas guère plus vieux que le temps nécessaire à la lumière pour sortir de l’ amas galactique d’origine et rentrer dans le notre, car en dehors de toute galaxie ( et donc de toute contrainte sur le temps ) la lumière doit être presque instantanée … Quid : Vitesse du courant dans un supraconducteur ?
    Je pense que l’on va voir des galaxies entières dans l’infra-rouge, ce qui va nous permettre de revoir l’Age de notre univers visible : couronne d’éjection d’une immense supernova à v >C … On ne fait que voir les galaxies qui nous ont doublé ou que l’on a doublé, et plus on regarde loin, plus elles s’éloignent vite, ce n’est pas l’expansion : on obtient la même chose sur n’importe quel grain du milieu de la couronne d’éjection avec un pétard dans un paquet de semoule même sur terre et dans l’air…

    Une géante rouge est pour moi une étoile qui as fini d’émettre de la lumière ( sens large ) , Lumière = Gravitation, là où on voyait avant cette étoile à sa taille normale ( au centre d’un immense aquarium rond ), maintenant on l’a voit dans une toute petite bille en verre… Les lois de Descartes vous permettent de calculer l’agrandissement visuel qui en résulte… les planètes ne sont pas absorbées, elles se contentent pour la plupart d’être libérées d’une agression lumineuse = attraction gravitationnelle qui n’existe plus…
    Quand à la lumière rouge, je ne suis pas physicien, ni acousticien, juste logique … et lorsque vous vous éloignez d’une fête foraines, le seul son ( autre information de temps comme la lumière ) qui vous parvient : ce sont les Graves … correspondant au ‘rouge’ d’une étoile…

    Voilà comment en partant de quelques idées bêtes et logique, on peut avoir une perception complètement différence de notre univers… J’attends impatiemment les résultats ( en espérant qu’ils soient rendus compréhensibles pour les incultes comme moi … )

    1. En espérant aussi que ce coup-ci , ils ont compris que la lumière s’adapte à son temps, le satellite étant plus loin que Hubble et difficilement réparable, pour ne pas être aussi myope que lui, j’espère qu’ils ont prévu une optique adaptative : le foyer ne sera pas au même point que sur terre…

      1. Cher Monsieur,
        Vous écrivez des choses qui me semblent bien confuses et donc proprement incompréhensibles! La “science” n’est pas la science si elle n’est pas vérifiée et démontrée.

        1. Bonjour Monsieur,
          Je voulais avant tout vous remercier pour ne pas avoir supprimé mes messages…

          Partant du constat qu’un Cachalot de 30m , s’il se mesure avec son laser va mesurer 30m dans l’air, 22,39 m dans l’eau salée et 22,50 m dans une piscine…j’ai renié la définition du mètre en fonction d’une vitesse lumière pour revenir à mon bon vieux mètre en platine.
          Cela génère simplement une autre “vision” du monde et de l’univers…
          Comme je garde C invariant ( sans pour autant en préciser le valeur ), la plupart des calculs actuels sont valables pour l’une ou l’autre façon de voir l’univers… mais suivant la façon de le voir , on va chercher quelque chose … ou autre chose … Et ne trouve toujours que ce que l’on cherche…
          La “science” actuelle n’est pour moi ( et avec mon niveau de connaissance ) pas assez démontrée , quand on demande la logique de déduction du prix Nobel pour l’accroissement de l’expansion de l’univers : on n’en trouve aucune… Si ce n’est : les étoiles le plus loin s’éloignent le plus vite : idem pour chaque grain de semoule à t+1 , si on a fait exploser à t un pétard au milieu du paquet … La lumière n’a pas d’Ether : déduit avec une expérience (Nobel) dont la logique fonctionne pour du son… On détecte des ondes gravitationnelle de 2 trous noir qui n’ont eu aucun effet sur terre, mais pas la lune qui produit des marées…

          Avec ma logique , je propose des expérience simples pour vérifier certaines hypothèses lié à ma façon ‘logique” de voir les choses ( CF : quelles-perspectives-pour-les-trous-noirs/#comment-5319 et j’essaye confusément d’expliquer en détail lumière=Gravitation dans les-defis-des-vaisseaux-photoniques-de-breakthrough-starshot/#comment-5087… )

          Je comprends maintenant que mes commentaires peuvent ‘importuner’ sur un site aussi sérieux que le votre, et par respect pour votre excellent travail, je m’abstiendrais à l’avenir de commenter… J’avais espéré trouver soit une expérience qui contredit mes théories, soit un soutien pour les expérimenter, je vais tenter ma chance ailleurs, tout en continuant de lire “goulument” ( sans prétendre tout comprendre ) vos articles…
          PS : Vous pouvez supprimer mes Messages , je n’y vois aucune objection …

          Bonne continuation et Meilleurs Vœux de Bonheur à tous ceux qui lisent cette phrase…

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