15 faits sur James Webb, le télescope spatial le plus grand et le plus complexe de l’humanité

Vingt-cinq ans après le début de son développement, le télescope James Webb est en route vers le deuxième point de Lagrange du système Soleil-Terre, où il effectuera les observations les plus avancées à ce jour.

Il étudiera les processus qui se sont produits au début de l’Univers, l’évolution des galaxies du Big Bang à nos jours, explorera les exoplanètes et leurs atmosphères, et bien plus encore.

Nom et budget

Au départ, le télescope portait le nom court mais difficile à prononcer de NGST (Next Generation Space Telescope). En l’honneur de Webb, qui a dirigé la NASA dans les années 60 du siècle dernier, il a été renommé en 2002. Le coût total du NGST était estimé à 500 millions de dollars et il devait être envoyé dans l’espace en 2007.

Cependant, en 2005, le projet a été sérieusement révisé, ainsi que l’estimation : le prix a été multiplié par neuf, pour atteindre 4,5 milliards, et les agences spatiales européenne et canadienne ont rejoint le développement. Le projet a été critiqué à plusieurs reprises pour sa gestion inefficace, pour avoir sous-estimé la complexité et les coûts en temps.

Depuis 2010, le James Webb, dont le prix avait augmenté, a commencé à grignoter les budgets d’autres projets de la NASA – par exemple, le télescope WFIRST – et a reçu le surnom de “télescope qui a mangé l’astronomie“ de la revue Nature. En 2021, sa valeur totale avait atteint près de 10 milliards de dollars.

L’achèvement et le lancement ont été reportés 14 fois

Dans le même temps, alors que de plus en plus d’argent disparaissait dans le ventre du projet, la date de lancement a été transférée et reprogrammée – elle a été décalée pas moins de 14 fois. Le transfert le plus résonnant a eu lieu en 2018 – le comité d’experts pour le développement et les tests du télescope a alors révélé tout un tas de problèmes.

Par exemple, il y avait des vannes endommagées par un solvant de nettoyage mal choisi, un câblage incorrect et des fixations de bouclier thermique mal installées – certaines d’entre elles se sont détachées directement lors des tests de vibration. Et, bien sûr, en 2020, “Webb” faisait partie des centaines de projets scientifiques dont les échéances sont “passées” à cause de la pandémie de coronavirus.

Heureusement, tous les problèmes du télescope spatial ont finalement été résolus. La construction, à laquelle ont participé des entrepreneurs de 20 pays, s’est achevée en 2019 – après presque deux années supplémentaires, le télescope a passé toutes sortes de tests. En octobre 2021, l’observatoire a été transporté à travers l’océan jusqu’en Guyane française, au cosmodrome européen de Kourou, et a commencé à se préparer pour le lancement.

Il est meilleur que tous les télescopes terrestres

Il existe des télescopes terrestres qui peuvent essayer de rivaliser avec “James Webb” en matière de vigilance. Le VLT, l’observatoire Keck, le GTC fonctionnent déjà, l’ELT et le GMT se préparent à entrer en service.

Cependant, même les systèmes d’optique adaptative les plus avancés ne sont capables de corriger les interférences atmosphériques que pour de petites zones du ciel proches des étoiles de référence, ce qui rend les observations avec un grand champ de vision inférieures en détail aux télescopes spatiaux.

En outre, dans le domaine de l’infrarouge, les télescopes terrestres sont bien inférieurs aux télescopes spatiaux : la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement.

James Webb possède un miroir massif et doré

Le miroir principal de l’observatoire est un système optique unique. Il est six fois plus grand que celui de Hubble (sa surface est de 27 mètres carrés), et en même temps, il est plus léger de près d’un tiers – 625 kilogrammes contre près d’une tonne. Cela s’explique par le fait que le béryllium n’était pas utilisé comme matériau principal pour les miroirs dans le passé. Or, le béryllium est un matériau très léger et durable, qui possède également un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du verre.

De nombreuses pièces d’avions supersoniques sont fabriquées à partir d’alliages de béryllium. Le béryllium a déjà été testé comme matériau pour les miroirs des télescopes Spitzer et IRAS. Les ébauches des miroirs ont été testées pour leur résistance aux bombardements de micrométéorites, ce qui a montré qu’elles étaient capables d’y résister.

Les préformes ont été obtenues en pressant de la poudre de béryllium dans des moules en acier inoxydable. Elles ont ensuite été finalisées, poncées et polies. Puis chacun des miroirs a été recouvert d’une fine couche d’or par la méthode de dépôt en phase vapeur sous vide : l’épaisseur du revêtement d’or est de cent nanomètres, et au total, l’observatoire a nécessité 48,25 grammes d’or pur, ce qui est comparable à la masse d’une balle de golf.

L’or n’a pas été choisi par hasard : il reflète mieux le rayonnement infrarouge et la partie à grande longueur d’onde du rayonnement optique. Le placage d’or est recouvert d’une fine couche de dioxyde de silicium amorphe pour le protéger des rayures. Le miroir principal a été achevé en 2016.

Le miroir est composé de 18 segments pliables

Si le miroir de James Webb était monolithique, il ne tiendrait tout simplement pas sous le carénage du véhicule de lancement, c’est pourquoi il a été conçu sous forme de segments. Il se compose de 18 segments, pesant chacun 20 kilogrammes. Les deux sections latérales du miroir, chacune composée de trois segments, se replient pour s’insérer dans la fusée.

La forme hexagonale des segments permet d’obtenir un miroir de forme approximativement ronde, de 6,5 mètres de diamètre, sans interstice (il était initialement prévu que le miroir principal fasse 8 mètres de long, mais cette idée a été abandonnée lors de la révision du projet). Les segments sont commandés par 126 petits moteurs.

Il y a quatre instruments scientifiques à bord

– La caméra NIRCam pour le visible et le proche infrarouge ;
– Le spectrographe NIRSpec pour le visible et le proche infrarouge ;
– l’instrument MIRI pour l’infrarouge moyen, comprenant une caméra et un spectrographe ;
– l’instrument FGS-NIRISS, qui comprend un capteur de pointage de télescope de précision, une caméra et un spectrographe sans fente.

NIRCam, NIRSpec et FGS-NIRISS utilisent des détecteurs au tellurure de cadmium et au tellurure de mercure et seront refroidis à 39 kelvins. MIRI utilise des détecteurs en silicium dopé à l’arsenic et fonctionnera à 7 kelvins grâce à un cryoréfrigérant à hélium optionnel.

Il fonctionnera au deuxième point de Lagrange du système Soleil-Terre

L’orbite de halo autour du deuxième point de Lagrange du système Soleil-Terre, situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre, est un endroit idéal pour un télescope, qui doit être refroidi à basse température. En orbite terrestre basse, il aurait besoin d’énormes réserves de liquide de refroidissement, mais sur une orbite de halo, seule une réserve d’hélium pour l’instrument MIRI sera suffisante, et le reste des systèmes se refroidira de lui-même – grâce aux rayonnements.

En outre, près de L2, l’observatoire pourra se cacher avec un bouclier thermique du Soleil, de la Terre et de la Lune en même temps. Dans le même temps, James Webb a besoin de relativement peu de carburant pour rester en orbite.

Quand James Webb commencera-t-il à fonctionner ?

Au total, le vol vers le deuxième point de Lagrange durera 29 jours. Pendant la première semaine de vol, le télescope déploiera toutes les couches du bouclier thermique et déploiera une tour de support de deux mètres qui sépare le système optique du corps principal de l’observatoire. Au cours de la deuxième semaine, le télescope déploiera le système optique afin qu’il commence à se refroidir progressivement jusqu’aux températures de fonctionnement.

Lorsque James Webb arrivera à son bureau, il entamera une procédure d’alignement optique de trois mois. Ensuite, il faudra deux mois pour calibrer les instruments scientifiques. Et ce n’est que six mois après le lancement que le télescope recevra les premières données scientifiques complètes. Les premiers tirs devront donc attendre.

James Webb a quatre tâches scientifiques principales

– Trouver les premières galaxies et étoiles formées après le Big Bang
– déterminer l’évolution des galaxies depuis leur formation jusqu’à aujourd’hui
– explorer la formation des étoiles et des systèmes planétaires qui les entourent
– Étudier les propriétés physiques et chimiques des exoplanètes et de leurs atmosphères, notamment en termes d’habitabilité potentielle.

James Webb dispose d’un catalogue de “premières cibles”

La liste des premières cibles contient 286 demandes, qui au total occuperont environ six mille heures du temps d’observation du télescope. Elle comprend des exoplanètes déjà découvertes, des disques autour de jeunes étoiles, des galaxies très lointaines, des quasars et des protoclusters, des galaxies de l’Univers local, des objets du système solaire tels que des comètes, des astéroïdes, des objets trans-neptuniens, des centaures et des géantes de glace, ainsi que des étoiles et des nébuleuses de la Voie lactée et de ses galaxies satellites.

Le télescope va “regarder dans le passé”

Oui. En raison de la finitude de la vitesse de la lumière, nous pouvons voir les processus qui se sont déroulés dans l’Univers il y a des millions et des milliards d’années, en observant des objets très éloignés. L’observatoire devrait prendre en compte les tout premiers signes de formation d’étoiles, qui ont commencé 100 à 250 millions d’années après le Big Bang, ainsi que les premières étoiles et galaxies qui existaient à l’époque de la réionisation, y compris les quasars contenant des trous noirs supermassifs actifs. Ainsi, il sera possible de tester les modèles d’évolution des galaxies.

James Webb va ouvrir une nouvelle ère dans l’exploration des exoplanètes

Le télescope sera capable d’enregistrer directement le rayonnement des exoplanètes de type Jupiter provenant des étoiles les plus proches de nous, ainsi que de détecter des exoplanètes par la méthode du transit (au moment où elles croisent le disque de leur étoile). Dans ce cas, la sensibilité du télescope permettra de déterminer même la composition approximative de leur atmosphère à partir des spectres de transmission.

En particulier, les données de James Webb seront suffisantes pour comprendre s’il y a de la vapeur d’eau, du dioxyde de carbone, de l’isoprène et du méthane dans l’atmosphère d’une exoplanète particulière, ce qui pourrait indiquer la possibilité d’une vie sur cette planète.

Le nouveau télescope s’intéressera également aux disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles et à la région de formation des étoiles. Ainsi, grâce aux données de Webb, il sera possible de retracer la formation à la fois des étoiles et des planètes qui les entourent.

Qu’en est-il de l’étude du système solaire ?

James Webb observera tous les corps du système solaire qui sont plus éloignés du soleil que la terre. Il s’agit des comètes, des objets trans-neptuniens, des planètes naines, des astéroïdes, ainsi que de Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et des satellites des géantes gazeuses comme Encelade ou Europe.

James Webb contribuera également à l’étude de la matière noire

L’observatoire observera les lentilles gravitationnelles jouées par les galaxies et les amas de galaxies, ce qui permettra d’estimer leur masse et la proportion de matière noire qu’elles contiennent. En outre, James Webb enregistrera des explosions de supernovas très lointaines, ce qui permettra de préciser le taux d’expansion de l’Univers à différentes époques de son existence.

La durée de vie de James Webb est étonnamment courte

Le télescope devrait fonctionner pendant au moins cinq ans et demi. Dix ans après le lancement, ses réserves de carburant arriveront à terme, ce qui signifie qu’il perdra la capacité de maintenir une orbite de halo stable autour du point de Lagrange.

Ce qu’il adviendra du télescope par la suite n’a pas encore été déterminé, mais il peut, par exemple, être placé sur une orbite héliocentrique, où il restera à jamais dans un état désactivé, comme ce fut le cas pour le télescope infrarouge Herschel. Dans le même temps, les astronomes espèrent que l’état technique du Hubble permettra aux deux télescopes de travailler ensemble pendant au moins plusieurs années.

Références :

• Jenner, L. (2021, March 29). NASA’s Webb Telescope General Observer Scientific Programs selected. NASA.
• Malik, T. (2021, December 27). James Webb Space Telescope successfully deploys Antenna. Space.com.
• Wolchover, N. (n.d.). The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works. Quanta Magazine.

Lire aussi : Une voile légère alimentée par des millions de lasers pourrait atteindre Alpha du Centaure en 20 ans

Source : Curiosmos – Traduit par Anguille sous roche