Télescope James Webb

Les télescopes spatiaux seront toujours à la pointe de l’exploration spatiale : ils ne sont pas gênés par l’atmosphère terrestre, ses distorsions et sa couverture nuageuse, ni par les vibrations et le bruit à la surface de la planète. Ce sont des appareils extraterrestres qui ont permis d’obtenir des photographies détaillées et magnifiques de nébuleuses et de galaxies lointaines qui ne sont même pas visibles à l’œil nu dans le ciel nocturne. En 2018, cependant, une nouvelle ère de l’exploration spatiale s’ouvrira, qui repoussera encore plus loin les frontières visibles de l’univers : le télescope spatial James Webb, qui battra tous les records de l’industrie, sera lancé. Et les records ne se limitent pas aux caractéristiques : le coût du projet à ce jour atteint 8,8 milliards de dollars.

Les tâches de «James Webb»

Avant de parler de l’appareil et des fonctionnalités du «James Webb», il convient de comprendre pourquoi il est nécessaire. Il semblerait que l’étude de l’Univers ne soit entravée que par une seule atmosphère terrestre, et qu’il suffise de mettre en orbite le télescope avec une caméra vissée dessus pour profiter de la vie. Mais en même temps, «James Webb» est développé depuis plus d’une décennie, et le budget final, même au stade des premières projections, a dépassé le coût de son prédécesseur, le télescope orbital Edwin Hubble ! Par conséquent, un télescope en orbite est plus sophistiqué qu’un télescope d’amateur sur un trépied, et ses découvertes seront des centaines de fois plus précieuses. Mais qu’y a-t-il de si spécial dans un télescope, et encore plus dans un télescope spatial ?

Le télescope européen Extremely Large Telescope, qui sera achevé en 2024, sera en mesure de reproduire les exploits de Hubble depuis la Terre

Tout le monde peut voir les étoiles en levant les yeux au ciel. Mais étudier des objets situés à des milliards de kilomètres est un véritable défi. La lumière des étoiles et des galaxies, qui a voyagé pendant des millions, voire des milliards d’années, subit d’importantes modifications, voire ne nous parvient pas du tout. Par exemple, les nuages de poussière, souvent présents dans les galaxies, peuvent absorber la totalité du rayonnement visible d’une étoile. Même l’expansion incessante de l’Univers entraîne un décalage vers le rouge de la lumière — ses longueurs d’onde deviennent plus grandes, ce qui modifie la gamme vers le rouge ou l’infrarouge invisible. Et le rayonnement des objets les plus grands, ayant parcouru une distance de plusieurs milliards d’années-lumière, devient comme la lumière d’une torche de poche parmi des centaines de projecteurs — pour détecter les galaxies ultra-distantes, il faut des appareils d’une sensibilité sans précédent.

Les objets plus petits comme les exoplanètes — des planètes situées en dehors du système solaire — posent des problèmes de détection encore plus importants. En effet, elles n’émettent pas de lumière elles-mêmes, mais réfléchissent celle de leurs luminaires. Dans le meilleur des cas, si une planète est entièrement constituée de glace, elle réfléchit jusqu’à 60 à 70 % de la lumière. Cependant, les rayons de l’étoile s’affaiblissent à l’approche de la planète et, à plus grande distance, ne sont plus visibles du tout. Le seul moyen fiable d’observer les exoplanètes consiste donc à suivre leur propre rayonnement thermique, c’est-à-dire la façon dont elles se superposent aux étoiles. La température moyenne de la plupart des corps planétaires dépasse rarement 0° C, et tombe souvent bien en dessous d e-100°. La température moyenne de la Terre est d’environ 8° C. Par conséquent, les nombreuses planètes relativement proches de nous qui pourraient abriter la vie sont encore invisibles pour les astronomes.

De nombreuses exoplanètes se cachent encore dans les profondeurs de l’Univers.

Outre la découverte de nouvelles choses, l’exploration de l’espace lointain est le moyen le plus simple de connaître l’histoire passée de l’Univers. Et ce n’est pas tout : nous pouvons le voir de nos propres yeux. Les étoiles et les planètes situées à dix années-lumière de nous sont vues exactement comme elles l’étaient il y a dix ans — le temps que leur lumière atteigne la Terre, elles peuvent exploser et disparaître. Et plus vous regardez loin, plus vous pouvez voir des époques anciennes — jusqu’aux premières années après le Big Bang, qui se trouvent à plus de 13,81 milliards d’années-lumière de nous (plus — parce que l’Univers est en expansion, et que la lumière doit parcourir de plus grandes distances).

«James Webb», nommé en l’honneur du deuxième chef d’état-major de la NASA, celui-là même qui a supervisé les premières missions sur la Lune, surmontera tous ces problèmes. Ses instruments se concentrent sur le spectre infrarouge le plus profond de la lumière (et une partie du visible), ce qui lui permettra de voir non seulement à travers les nuages de poussière et les obstacles, mais aussi de repérer des objets très froids. Dans le système solaire, il pourra détecter un corps ayant une température d’enviro n-170 °C, et dans les étoiles, dans un rayon de 15 années-lumière, une planète ayant la température de la Terre ou de Mars. Ainsi, «James Webb» verra non seulement les planètes, mais aussi leurs satellites potentiels. La résolution du télescope, augmentée grâce à la nouvelle technologie des miroirs et à des instruments de précision, lui permet de voir au-delà des 800 millions d’années du détenteur du record actuel, le télescope orbital «Hubble». Le télescope «James Webb» ne pourra voir l’univers que 100 millions d’années après le Big Bang.

Les télescopes Hubble et James Webb et leurs miroirs.

Paramètres et conception du télescope James Webb

La mission du télescope spatial n’est pas facile, mais le James Webb ne l’entreprend pas à mains nues. Protection sophistiquée, équipement, propulseurs de manœuvre conçus pour les corrections de trajectoire annuelles — tout cela a été conçu au fil des ans par des développeurs du monde entier, et amélioré à de nombreuses reprises au cours du processus de développement. Voici quelques chiffres tirés des paramètres du James Webb :

• Poids du véhicule au lancement : 6,5 tonnes. Bien sûr, une partie du poids est constituée de carburant — pour ajuster l’orbite, «James Webb» emportera du carburant pour une accélération totale de 150 m/s. Cependant, même avec cela, le poids du télescope est relativement faible : son aîné «Hubble» pèse presque deux fois plus, soit 11 tonnes.
• Les mesures linéaires de «Jams Webb» sont impressionnantes : dans sa plus grande dimension, il a une longueur de 20 mètres et une largeur de 7 mètres — tout comme un terrain de tennis ou de mini-football. Mais la partie fonctionnelle n’est pas en reste. Le télescope central «Webb» a un diamètre de 6,5 mètres et la surface totale de son miroir est de 25 mètres carrés, ce qui constitue un record parmi tous les télescopes spatiaux. La surface du miroir de Hubble était d’environ 4,5 m 2 , et il était légèrement plus grand qu’un bus Ikarus.
• La distance entre le télescope et la Terre fluctuera. Au point le plus proche, «Webb» s’approchera de la Terre à 374 000 kilomètres, soit 10 000 kilomètres plus près de la Lune. À son maximum, le télescope sera distant de 1,5 million de kilomètres !

Modèle réduit de «James Webb»

• Malgré l’énorme distance qui sépare Webb de la Terre, la liaison avec cette dernière sera de la plus haute qualité. Bien que le canal pour la surveillance et le réglage du télescope ne transporte que 16 Kbps depuis la Terre et 40 Kbps vers la Terre, une ligne dédiée a été créée pour les données scientifiques. Sur cette ligne, le télescope pourra transmettre des images à 28 Mbps. Par exemple, un film d’une heure et demie en haute qualité sera disponible en moins de 10 minutes, et des images individuelles seront téléchargées en quelques minutes.

Il est intéressant de noter que les faibles vitesses de transfert de données n’ont jamais arrêté les explorateurs de l’espace. L’histoire de la sonde Galileo, qui a été la première à fournir des images de haute qualité de Jupiter et de ses satellites pour un total de 30 gigaoctets, en est l’illustration. Cependant, son antenne à grande vitesse s’est cassée pendant le vol et les données ont dû être transmises à seulement 160 bps.

Éléments clés du télescope

Cependant, les chiffres ne sont pas la seule mesure de la puissance d’un télescope. L’essentiel réside dans les dispositifs spécifiques grâce auxquels le «James Webb» obtient ses capacités sans précédent. Passons-les brièvement en revue et comprenons à quoi ils servent.

Bouclier thermique

La plus grande partie du télescope est un bouclier solaire de 20×7 mètres qui ressemble à un bateau fait de plusieurs feuilles de papier pliées. Il est en fait constitué d’un film polymère spécial recouvert d’une fine couche d’aluminium d’un côté et de silicium métallique de l’autre. Le matériau composite du bouclier «Webb» se caractérise par une isolation thermique étonnante : si l’on peut faire frire des crêpes sur une face du revêtement, l’eau gèle instantanément sur l’autre. Comme vous l’avez peut-être remarqué, le bouclier du télescope est multicouche, et les vides entre les couches sont remplis de vide afin de rendre plus difficile le transfert de la chaleur vers le cœur du télescope.

Le bouclier solaire de James Webb en cours de développement

Pourquoi un télescope aurait-il besoin d’une défense aussi importante contre les rayons du soleil ? Il s’agit des instruments à infrarouge du télescope James Webb. Oui, ils peuvent «voir» un objet dont la température est inférieure à-100 °C, mais pour cela, les capteurs ultrasensibles du télescope doivent eux-mêmes être refroidis à-220 °C. Sinon, la lueur infrarouge produite par le télescope ne sera pas visible. Sinon, la lueur infrarouge de leurs propres composants aveuglera le télescope.

Miroir

La partie du télescope qui attire le plus l’attention est son réflecteur — un cercle de miroirs composé de 18 fragments hexagonaux qui ressemblent à des nids d’abeilles en raison de leur couleur jaune foncé. Les miroirs eux-mêmes sont fabriqués en béryllium, connu pour sa résistance aux températures ultra-basses, et la couleur vive est apportée par la dorure — l’or réfléchit mieux la lumière dans la gamme des infrarouges, servant ainsi de filtre de couleur pour «James Webb».

Miroir de James Webb avant dorure

Pourquoi un télescope a-t-il besoin d’un miroir ? Tout d’abord, il sert à focaliser les faisceaux de lumière — un miroir les redresse, créant une image claire et éliminant la distorsion des couleurs. En outre, un miroir peut capturer beaucoup de détails grâce à sa taille illimitée. La fabrication d’une lentille de 25 m 2 équivalente à un miroir Webb est un processus incroyablement complexe et coûteux. De plus, il est impossible de mettre en orbite un objet d’une telle taille et d’une telle masse sans l’endommager.

C’est d’ailleurs la nécessité de se glisser dans l’étroite soute de la fusée qui a donné au miroir de James Webb une forme en nid d’abeille. La forme hexagonale est la plus optimale pour un miroir préfabriqué : c’est l’utilisation la plus efficace de l’espace, et la lumière est distribuée uniformément sur la surface du miroir sans distorsion irrécupérable. Chacune des 18 cellules de «Webb» conservera sa mobilité même après sa mise en orbite — elles tourneront dans la direction des objets-cibles, formant à chaque fois une surface unique.

Miroir du télescope à l’état plié

Le miroir principal n’est pas le seul miroir du télescope : deux autres miroirs incurvés «collectent» l’image de la surface du miroir principal afin d’en améliorer la qualité. L’un d’entre eux sert de miroir «directeur», tournant des dizaines de fois par seconde pour stabiliser l’image finale. Cette astuce, associée à la sensibilité des caméras, permettra à «Webb» de réaliser en quelques minutes l’image pour laquelle les prédécesseurs du télescope auraient mis des heures.

Les instruments scientifiques du télescope

Nous savons déjà que la mission James Webb est principalement axée sur l’étude de l’Univers dans le spectre infrarouge. Cependant, une seule gamme de lumière peut contenir différentes informations — de la localisation de l’objet observé à sa masse et même à sa composition exacte ! Le télescope doit également naviguer dans l’espace — «James Webb» sera loin de la Terre, même pas en orbite. Par conséquent, pour naviguer correctement, il faudra disposer d’images rapides et de haute qualité des étoiles. Les luminaires lointains seront immobiles par rapport au télescope, quel que soit son mouvement, et lui serviront donc à sa propre stabilisation.

La nébuleuse de Kiel dans le spectre de la lumière visible (en haut) et dans l’infrarouge (en bas)

Néanmoins, pour tout cela, le Jams Webb aura besoin d’installations spécialisées. Examinons les principaux modules du télescope :

• La caméra proche infrarouge (NIRCam) est le premier et principal œil du télescope. Bien que la NIRCam ne voie qu’un peu de lumière ordinaire et infrarouge à la fois, elle crée les images primaires d’objets lointains, qui sont ensuite examinées par d’autres instruments. C’est cet instrument qui sera le premier à voir les étoiles les plus anciennes de l’univers. La caméra est également équipée d’un coronographe, qui supprimera la lumière des luminaires lointains pour tenter de voir les planètes qui les entourent.
• Le spectrographe dans le proche infrarouge étudiera plus en détail les objets détectés par NIRCam. La spectrographie permet d’en savoir beaucoup plus sur les propriétés d’un objet (masse, température et composition), mais elle prend beaucoup de temps. Il faut quelques centaines d’heures d’exposition pour obtenir des données sur des étoiles très lointaines que James Webb lui-même peut à peine voir. C’est pourquoi un obturateur spécial a été mis au point pour NIRSpec, composé de cent mini-obturateurs de 100×200 micromètres. Ce mécanisme astucieux permettra non seulement de filtrer la lumière, mais aussi d’étudier des dizaines d’objets simultanément, ce qui fera gagner un temps précieux.

• L’instrument pour l’infrarouge moyen (MIRI) est l’instrument le plus sensible de l’arsenal de James Webb. Il peut détecter des longueurs d’onde de la lumière infrarouge allant jusqu’à 28 micromètres. En combinant une caméra et un spectromètre, MIRI est capable de voir les objets les plus discrets : galaxies lointaines, étoiles naissantes, comètes et astéroïdes de la ceinture de Kuiper dans le système solaire. Certains astronomes s’attendent à ce que cet instrument joue un rôle important dans la recherche de la planète X. MIRI est également l’élément le plus sensible à la température : pour fonctionner correctement, il doit être refroidi artificiellement à-266° C, c’est-à-dire juste au-dessus du zéro absolu.
• Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (imageur proche infrarouge et spectrographe sans fente) duplique en quelque sorte les fonctions de NIRCam et NIRSpec. Il effectuera le ciblage initial des objets à étudier ainsi que des études détaillées des planètes dans les systèmes stellaires lointains.

• Le capteur de guidage fin (FGR) est un instrument de service dont le but est de naviguer dans le télescope lui-même. Avec l’aide du FGR, le télescope pourra mettre à jour sa position dans l’espace 16 fois par seconde, et contrôler le pointage du miroir «directeur». De plus, lorsqu’il entrera sur une orbite donnée, cet outil contrôlera l’exactitude du déploiement du miroir principal «James Webb».

Le télescope sera également équipé d’un ordinateur central qui coordonnera le travail des modules scientifiques, traitera les données reçues et les enverra sur Terre, tout en effectuant des opérations techniques de routine.

L’orbite de «James Webb» et l’avenir du projet

Nous avons déjà mentionné dans l’article que le télescope ne tournera pas autour de la Terre, comme le fait «Hubble» — il sera envoyé très loin, sur l’orbite du Soleil. Pour les instruments sensibles à la lumière, il est important que ni la Lune ni la Terre n’apparaissent dans le champ de vision du télescope. En même temps, «James Webb» doit être constamment à proximité de notre planète, ce qui est nécessaire pour un contrôle efficace et la transmission des données. Comment les scientifiques y parviendront-ils ?

Point de Lagrange-2 (L2) — le futur centre de l’orbite de James Webb

L’orbite en forme de halo autour du point Langrange-2 du système Terre-Soleil permettra au télescope d’être attaché à la planète tout en le laissant flotter librement. Cela semble compliqué, mais qu’est-ce que cela signifie ? Nous avons déjà mentionné les points de Lagrange à plusieurs reprises dans nos articles. Dans tout système gravitationnel composé de deux corps massifs — par exemple, le Soleil et la Terre — il existe 5 points stables où un petit corps, comme un satellite ou un astéroïde, peut rester sans crainte sur une orbite immuable. De plus, une orbite peut être construite autour de ce point et tourner comme s’il s’agissait d’un corps matériel.

C’est cette propriété que va utiliser «James Webb» — il tournera autour du point de Lagrange 2, se déplaçant autour du Soleil de manière synchronisée avec la Terre. C’est pourquoi l’orbite est appelée «halo» (du grec ancien «halos» — disque, halo). Seule sa forme sera loin d’être un cercle parfait : elle sera fortement allongée et ressemblera davantage à une ellipse. Il y a des raisons à cela : par exemple, le télescope pourra se rapprocher périodiquement de la Terre et transmettre des données plus rapidement. Et c’est aussi tout simplement plus facile : pour arrondir l’orbite, il faudrait dépenser beaucoup de carburant, ce qui compliquerait la conception de la fusée et réduirait la charge utile du télescope.

La fusée Ariane 5 sur la table de lancement

Les créateurs du télescope James Webb ont une énorme responsabilité. Étant donné que la fusée Ariane 5 lancera le télescope en orbite en 2018, il ne pourra pas être amélioré, réparé ou modifié — il n’existe actuellement aucune technologie active permettant d’envoyer une équipe de réparation sur place. C’est ce qui est arrivé plus d’une fois au célèbre Hubble. Des éléments importants sont tombés en panne, de nouveaux équipements ont dû être livrés ou des cas de force majeure se sont produits — une fois, une anomalie du champ magnétique terrestre a contraint le télescope à s’éteindre régulièrement.

La plupart des réparations ont été effectuées par des astronautes à bord de navettes, mais les navettes ne sont plus utilisées et le James Webb sera beaucoup plus éloigné que le Hubble. Bien sûr, le nouveau télescope sera à l’abri de nombreuses nuisances connues. Mais personne ne garantit l’émergence de nouvelles nuisances qui n’ont pas encore été apprises en astronautique. C’est pourquoi l’assemblage du «Webb» progresse très lentement : chaque pièce et chaque complexe subissent une série de tests de résistance afin d’éviter toute surprise désagréable à l’avenir.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023