Vue d’artiste du télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA. Crédit : ESA, NASA, S. Beckwith (STScI) et l’équipe HUDF, Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab
Les Télescope spatial James Webb doit se rendre dans l’espace le 18 décembre 2021. Grâce à lui, les astronomes espèrent trouver les premières galaxies à se former dans l’univers, chercheront des atmosphères semblables à la Terre autour d’autres planètes et réaliseront de nombreux autres objectifs scientifiques.
Je suis un astronome et le chercheur principal pour la caméra proche infrarouge – ou NIRCam pour faire court – à bord du télescope Webb. J’ai participé au développement et aux tests de mon appareil photo et du télescope dans son ensemble.
Pour voir au plus profond de l’univers, le télescope possède un très grand miroir et doit être maintenu extrêmement froid. Mais transporter un équipement fragile comme celui-ci dans l’espace n’est pas une tâche simple. Mes collègues et moi avons dû surmonter de nombreux défis pour concevoir, tester et bientôt lancer et aligner le télescope spatial le plus puissant jamais construit.
Le télescope spatial James Webb est le plus grand télescope orbital jamais construit et devrait être lancé dans l’espace le 18 décembre 2021. Crédit : NASA/Desiree Stover
Jeunes galaxies et atmosphères extraterrestres
Le télescope Webb a un miroir de plus de 20 pieds de diamètre, un pare-soleil de la taille d’un court de tennis pour bloquer le rayonnement solaire et quatre systèmes de caméras et de capteurs séparés pour collecter les données.
Cela fonctionne un peu comme une antenne parabolique. La lumière d’une étoile ou d’une galaxie entrera dans la bouche du télescope et rebondira sur le miroir primaire vers les quatre capteurs : NIRCam, qui prend des images dans le proche infrarouge ; les Spectrographe proche infrarouge, qui peut diviser la lumière d’une sélection de sources en leurs couleurs constitutives et mesurer la force de chacune ; les Instrument à infrarouge moyen, qui prend des images et mesure les longueurs d’onde dans l’infrarouge moyen ; et le Spectrographe sans fente d’imagerie proche infrarouge, qui divise et mesure la lumière de tout ce que les scientifiques pointent vers le satellite.
Le NIRCam, vu ici, mesurera la lumière infrarouge provenant de galaxies extrêmement lointaines et anciennes. Crédit : NASA/Chris Gunn
Cette conception permettra aux scientifiques d’étudier comment les étoiles se forment dans le voie Lactée et les atmosphères des planètes en dehors du système solaire. Il peut même être possible de comprendre la composition de ces atmosphères.
Depuis qu’Edwin Hubble a prouvé que les galaxies lointaines sont comme la Voie lactée, les astronomes se demandent : quel âge ont les plus anciennes galaxies ? Comment se sont-ils d’abord formés ? Et comment ont-ils changé au fil du temps ? Le télescope Webb était à l’origine surnommé le « Première machine à lumière » car il est conçu pour répondre à ces mêmes questions.
L’un des principaux objectifs du télescope est d’étudier les galaxies lointaines proches du bord de l’univers observable. Il faut des milliards d’années à la lumière de ces galaxies pour traverser l’univers et atteindre la Terre. J’estime que les images que mes collègues et moi collecterons avec NIRCam pourraient montrer des protogalaxies qui se sont formées à peine 300 millions d’années après la Big Bang – alors qu’ils n’avaient que 2% de leur âge actuel.
Afin de détecter les galaxies les plus lointaines et les plus anciennes, le télescope doit être énorme et maintenu extrêmement froid. Crédit : NASA/Chris Gunn
Trouver les premiers agrégats d’étoiles qui se sont formés après le Big Bang est une tâche ardue pour une raison simple : ces protogalaxies sont très éloignées et semblent donc très faibles.
Le miroir de Webb est composé de 18 segments séparés et peut collecter plus de six fois plus de lumière que le miroir du télescope spatial Hubble. Les objets éloignés semblent également être très petits, le télescope doit donc être capable de focaliser la lumière aussi étroitement que possible.
Le télescope doit également faire face à une autre complication : l’univers est en expansion, les galaxies que les scientifiques étudieront avec le télescope Webb s’éloignent de la Terre, et l’effet Doppler entre en jeu. Tout comme la sirène d’une ambulance diminue et devient plus profonde lorsqu’elle passe et commence à s’éloigner de vous, la longueur d’onde de la lumière des galaxies lointaines passe de la lumière visible à la lumière infrarouge.
Les cinq couches de matériau argenté sous le miroir doré sont un pare-soleil qui reflétera la lumière et la chaleur pour garder les capteurs incroyablement froids. Crédit : NASA/Chris Gunn
Webb détecte la lumière infrarouge – il s’agit essentiellement d’un télescope thermique géant. Pour « voir » des galaxies faibles dans la lumière infrarouge, le télescope doit être exceptionnellement froid, sinon tout ce qu’il verrait serait son propre rayonnement infrarouge. C’est là qu’intervient le bouclier thermique. Le bouclier est fait d’un plastique mince recouvert d’aluminium. C’est cinq couches d’épaisseur et mesure 46,5 pieds (17,2 mètres) par 69,5 pieds (21,2 mètres) et sera garder le miroir et les capteurs à moins 390 degrés Fahrenheit (moins 234 Celsius).
Le télescope Webb est un exploit d’ingénierie incroyable, mais comment amener une telle chose en toute sécurité dans l’espace et garantir qu’elle fonctionnera ?
Les ingénieurs et les scientifiques ont testé l’ensemble du télescope dans une chambre à vide cryogénique à basse pression extrêmement froide. Crédit : NASA/Chris Gunn
Tester et répéter
Le télescope spatial James Webb orbitera autour d’un à des millions de kilomètres de la Terre – environ 4 500 fois plus éloigné que la Station spatiale internationale et beaucoup trop loin pour être desservi par les astronautes.
Au cours des 12 dernières années, l’équipe a testé le télescope et les instruments, les a secoués pour simuler le lancement de la fusée et les a testés à nouveau. Tout a été refroidi et testé dans les conditions extrêmes de fonctionnement de l’orbite. Je n’oublierai jamais le moment où mon équipe était à Houston pour tester la NIRCam à l’aide d’une chambre conçue pour le rover lunaire Apollo. C’était la première fois que mon appareil photo détectait de la lumière qui avait rebondi sur le miroir du télescope, et nous n’aurions pas pu être plus heureux – même si l’ouragan Harvey nous combattait à l’extérieur.
Les répétitions et la formation au Space Telescope Science Institute sont essentielles pour s’assurer que le processus d’assemblage se déroule sans heurts et que toute anomalie inattendue peut être traitée. Crédit : NASA/STScI
Après les tests, viennent les répétitions. Le télescope sera contrôlé à distance par des commandes envoyées via une liaison radio. Mais parce que le télescope sera si loin – il faut six secondes pour qu’un signal aille dans un sens – il n’y a pas de contrôle en temps réel. Ainsi, au cours des trois dernières années, mon équipe et moi-même sommes allés au Space Telescope Science Institute de Baltimore et avons effectué des missions de répétition sur un simulateur couvrant tout, du lancement aux opérations scientifiques de routine. L’équipe s’est même entraînée à gérer les problèmes potentiels que les organisateurs du test nous lancent et appellent gentiment « anomalies ».
Pour tenir à l’intérieur d’une fusée, le télescope doit se replier dans un boîtier compact. Crédit : NASA/Chris Gunn
Un certain alignement requis
L’équipe Webb continuera à répéter et à s’entraîner jusqu’à la date de lancement en décembre, mais notre travail est loin d’être terminé une fois que Webb est plié et chargé dans la fusée.
Nous devons attendre 35 jours après le lancement pour que les pièces refroidissent avant de commencer l’alignement. Une fois le miroir déployé, NIRCam capture des séquences d’images haute résolution des segments de miroir individuels. L’équipe du télescope analysera les images et demandera aux moteurs d’ajuster les segments par étapes mesurées en milliardièmes de mètre. Une fois que les moteurs auront mis les miroirs en place, nous confirmerons que l’alignement du télescope est parfait. Cette tâche est si critique qu’il y a deux copies identiques de NIRCam à bord – si l’une échoue, l’autre peut prendre en charge le travail d’alignement.
Ce processus d’alignement et de vérification devrait prendre six mois. Une fois terminé, Webb commencera à collecter des données. Après 20 ans de travail, les astronomes disposeront enfin d’un télescope capable de scruter les confins les plus éloignés et les plus éloignés de l’univers.
Écrit par Marcia Rieke, Regents Professor of Astronomy, University of Arizona.
Publié à l’origine le La conversation.
