Le télescope spatial James Webb

Avec le lancement du télescope spatial James Webb (JWST), la compréhension de l'univers et de ses origines par l'humanité augmentera de façon exponentielle.

Initialement appelé le télescope spatial de nouvelle génération (NGST) et renommé en septembre 2002 en l'honneur de l'ancien administrateur de la NASA, James Webb, le JWST représente une collaboration internationale de partenaires, dont la NASA, l'Agence spatiale canadienne (ASC), l'Agence spatiale européenne (ESA), le fabricant aérospatial Northrop Grumman et le Space Telescope Space Institute, qui exploitera le télescope après son lancement.

Technologie infrarouge

Qu'est-ce qui différencie le JWST des télescopes spatiaux qui l'ont précédé, comme le télescope spatial Hubble, qui a marqué l'histoire ? D'une part, Hubble, qui a été lancé en 1990, est un télescope optique; le JWST est un télescope infrarouge. Au fur et à mesure que les ondes lumineuses voyagent à travers l'univers en constante expansion, elles sont "étirées", ce qui signifie qu'elles passent à des longueurs d'onde d'énergie plus longues et plus rouges. À un moment donné, la lumière autrefois visible des étoiles les plus éloignées de l'univers passe à des longueurs d'onde infrarouges qui ne peuvent plus être détectées par des télescopes optiques tels que Hubble. Le JWST est spécialement conçu pour capturer des images de ces ondes lumineuses infrarouges et les analyser à l'aide d'une spectroscopie de pointe.

Le JWST ne sera pas la première fois que des scientifiques utiliseront la technologie infrarouge pour explorer l'univers. En 1983, la NASA a lancé son révolutionnaire satellite astronomique infrarouge (IRAS) en orbite, ce qui en fait le premier télescope infrarouge spatial au monde. Un projet conjoint conçu par les États-Unis, les Pays-Bas et le Royaume-Uni, il a orbité à 559 miles au-dessus de la Terre lors d'une mission qui a duré 10 mois et a observé plus de 250 000 sources infrarouges dans les longueurs d'onde de 12, 25, 60 et 100 micromètres. Le succès de cette mission a conduit à l'installation d'un télescope infrarouge refroidi à l'hélium à bord de la navette spatiale Challenger en 1985 (STS-51) et a finalement abouti au développement du télescope spatial Spitzer, qui a été lancé en 2003.

Entre ces jalons, l'Agence spatiale européenne, en collaboration avec la NASA et l'Institut japonais des sciences spatiales et astronautiques (ISAS), a lancé l'Observatoire spatial infrarouge (ISO) en novembre 1995 dans le cadre d'une mission de trois ans conçue pour observer environ 30 000 sources infrarouges, effectuer une imagerie dans la gamme de 2,5 à 240 micromètres et une spectroscopie dans la gamme de 2,5 à 196,8 micromètres, et transmettre les données vers la Terre en temps réel. Et en 1997, la NASA a doté le télescope optique Hubble d'une capacité infrarouge en l'équipant d'une caméra proche infrarouge et d'un spectromètre multi-objets (NICMOS) lors de la mission d'entretien 2 (STS-82).

NICMOS, un appareil d'imagerie et un spectromètre combinés conçus et construits par Ball Aerospace &Technologies Corp., comportait trois détecteurs dans le proche infrarouge au tellurure de mercure et de cadmium qui étaient collés à des substrats de saphir et conçus pour fonctionner dans la longueur d'onde de 0,8 à 2,5 micromètres. Le NICMOS, qui a fonctionné de 1997 à 1999 avant de manquer de liquide de refroidissement, puis de 2002 à 2008 suite à l'installation d'un nouveau système de refroidissement cryogénique lors de la mission d'entretien 3B (STS-109), a finalement été remplacé en 2009 par le Wide Field Caméra 3 (WFC3) pendant la mission d'entretien 4 (STS-125). Bien qu'il ne s'agisse pas strictement d'un instrument infrarouge - il disposait également d'un canal UV et optique capable d'enregistrer des images dans la plage de longueurs d'onde de 200 à 1000 nm - le WFC3 disposait d'un détecteur proche infrarouge conçu pour capturer des images dans la plage de longueurs d'onde de 800 à 1700 nm. Bien que limité dans sa capacité infrarouge par rapport à NICMOS (1700 nm contre 2500 nm), le WFC3 pourrait être refroidi thermoélectriquement, éliminant ainsi le besoin de refroidissement cryogénique.

Le miroir

Sans doute l'instrument scientifique le plus technologiquement avancé jamais lancé dans l'espace, le JWST ne combinera pas seulement les meilleurs aspects des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, il les dépassera de loin, à commencer par la taille de son miroir primaire. Le miroir de Webb aura un diamètre de 6,5 mètres par rapport au miroir de 2,4 mètres de Hubble et au miroir compact de 0,8 mètre de Spitzer.

Parce qu'un miroir de cette taille est trop grand pour tenir dans n'importe quel lanceur actuel, il se composera de 18 segments individuels de forme hexagonale en béryllium léger qui se déploieront et s'ajusteront automatiquement à la forme une fois en orbite. Chaque segment sera déposé en phase vapeur sous vide recouvert d'une fine couche d'or d'à peine 1000 angströms (100 nanomètres) d'épaisseur. Pour mettre cela en perspective, compte tenu de la densité de l'or à température ambiante (19,3 g/cm ³ ), cela équivaut à 48,25 g d'or (à peu près la même masse qu'une balle de golf) pour recouvrir une surface de 25 m ² . Pourquoi l'or ? Réflectivité supérieure. L'or reflétera 98 % de la lumière infrarouge collectée, alors qu'un matériau tel que l'aluminium ne reflète généralement qu'environ 85 % de la lumière visible.

Le JWST est conçu pour orbiter autour du point L2, à 1,5 million de kilomètres au-dessus de la Terre. Plus un télescope est éloigné de l'atmosphère terrestre, moins il y a d'éléments qui ont un impact négatif sur la qualité des données collectées. Il sera également suffisamment éloigné du champ magnétique protecteur de la Terre où les rayons cosmiques à haute énergie pourraient interférer avec ses signaux ou créer des charges électriques susceptibles d'endommager les instruments sensibles du télescope. En tant qu'assurance supplémentaire, le JWST a été conçu avec un blindage spécial et des matériaux conducteurs pour empêcher la tension de s'accumuler et d'endommager les pare-soleil et les sous-systèmes de l'embarcation. Le télescope fera une orbite complète autour de L2 tous les 198 jours... au cas où vous voudriez le surveiller.

Le pare-soleil

Le pare-soleil du télescope, qui a approximativement la taille d'un court de tennis (21,197 m × 14,162 m), est de loin le plus grand élément du JWST. Composé de cinq couches de Du-Pont™ Kapton® recouvert de silicone, chaque couche de moins de 1 mm d'épaisseur, le pare-soleil a pour objectif principal de séparer le côté froid du télescope, où l'instrumentation est logée, du côté faisant face au soleil. La température maximale que la couche 1 peut supporter est de 383K (~231°F), tandis que la couche 5 peut supporter une température maximale de 221K (~ -80°F) et une température minimale de 36K (~ -394°F). Étant donné que les détecteurs infrarouges préfèrent les températures fraîches et que toute chaleur générée par les systèmes embarqués du JWST pourrait polluer les signaux infrarouges collectés, la température de fonctionnement préférée du télescope est inférieure à 50 K (~ -370 °F).

Compte tenu de la taille du pare-soleil et de la finesse de ses matériaux, l'un des défis techniques auxquels ses concepteurs ont été confrontés était de le rendre suffisamment solide pour résister aux rigueurs du voyage dans l'espace. Ils y sont parvenus en créant un système ingénieux de nervures de support qui fourniront la stabilité structurelle nécessaire sans devenir cassants. Le système tolérera également de petites déchirures et déchirures causées par des débris spatiaux sans défaillance.

En termes de technologie, le JWST peut être divisé en trois sections :le module d'instruments scientifiques intégrés (ISIM), l'élément de télescope optique et l'élément de vaisseau spatial.

Les instruments scientifiques

L'ISIM contient les quatre principaux instruments scientifiques du JWST :la caméra dans le proche infrarouge (NIRCam), le spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSpec), l'instrument dans l'infrarouge moyen (MIRI) et le capteur de guidage fin/imageur dans le proche infrarouge et spectrographe sans fente. (FGS/NIRISS).

La caméra proche infrarouge, construite par l'Université de l'Arizona et Lockheed Martin, remplira deux fonctions importantes. La première consiste à capturer des images dans la gamme de longueurs d'onde de 600 nm à 5 000 nm en utilisant une exposition de 10 000 secondes (environ 2,8 heures). Conçu pour fonctionner à 37K (~ -393°F), il observera et enregistrera la lumière produite par certaines des premières étoiles et galaxies formées dans l'univers après le Big Bang. Son autre fonction importante est de surveiller en permanence les performances des 18 segments du miroir primaire, en veillant à ce que le télescope reste au point.

Le spectrographe proche infrarouge, fourni par l'Agence spatiale européenne (ESA), est unique en ce qu'il peut analyser simultanément jusqu'à 100 objets dans un champ de vision de 3 minutes d'arc × 3 minutes d'arc dans la gamme de longueurs d'onde de 600 nm à 5000 nm. Il peut le faire grâce à un système innovant de quatre réseaux de masques à fentes programmables contenant environ 250 000 micro-obturateurs, chacun mesurant seulement 100 × 200 microns. Le NIRSpec dispose de quatre modes de fonctionnement :spectroscopie multi-objets (MOS), mode unité de champ intégrale (IFU), spectroscopie à fente à contraste élevé (SLIT) et mode d'imagerie (IMA). Comme la caméra proche infrarouge, elle sera utilisée pour analyser la lumière collectée depuis les origines de l'univers.

L'instrument à infrarouge moyen est conçu pour fonctionner à la fois comme une caméra et un spectrographe et capte là où les instruments dans le proche infrarouge s'arrêtent, capturant et analysant la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de 5000 nm à 28000 nm. La clé de ses performances dans ce domaine réside dans ses détecteurs au silicium dopés à l'arsenic, également appelés modules de plan focal (FPM), qui ont une résolution de 1024 × 1024 pixels. Le MIRI, qui est cryogéniquement refroidi à 7K (~ -447°F), contient également un spectromètre basse résolution équipé de prismes en métal de germanium et en sulfure de zinc qui peuvent analyser la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de 5 000 nm à 12 000 nm. Il est également équipé de coronographes, ce qui lui permet d'étudier les exoplanètes.

Enfin, le capteur de guidage fin / imageur proche infrarouge et spectrographe sans fente, construit par l'Agence spatiale canadienne, est conçu pour observer la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de 800 nm à 5000 nm et remplit deux fonctions. Le capteur de guidage fin fournit le sens de direction du JWST, en le dirigeant vers des cibles désignées. L'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente, qui est équipé d'un réseau de mercure-cadmium de 2048 × 2048 pixels et d'un champ de vision de 2,2 pieds × 2,2 pieds, est conçu pour détecter et analyser les exoplanètes.

L'élément de télescope optique (OTE) est, comme son nom l'indique, les yeux du JWST. Selon la NASA, il se compose des 18 segments hexagonaux qui composent le miroir primaire de 6,5 mètres; le miroir secondaire circulaire de 0,74 mètre; les rétroviseurs de direction tertiaire et fin; l'ensemble de fond de panier du miroir primaire et le support de fond de panier principal, qui abrite également le module d'instrument ; le sous-système de gestion thermique ; radiateur arrière ISIM déployable (ADIR); et le système de détection et de contrôle du front d'onde de l'engin spatial.

Les sous-systèmes

La dernière pièce du puzzle est l'élément de vaisseau spatial, qui se compose du pare-soleil et du bus de vaisseau spatial. En plus de supporter la masse totale de 6500 kg du télescope, le Spacecraft Bus, qui est fait de matériaux composites en graphite, abrite les six principaux sous-systèmes du JWST, à savoir le sous-système d'alimentation électrique, le sous-système de contrôle d'attitude, le sous-système de communication, la commande et le sous-système de traitement des données, le sous-système de propulsion et le sous-système de contrôle thermique.

La fonction principale du sous-système d'alimentation électrique est de convertir l'énergie collectée par les panneaux solaires en puissance électrique requise par les autres sous-systèmes. Le sous-système de contrôle d'attitude gère l'orientation et la stabilité du télescope en orbite. Le sous-système de communication gérera la transmission des données et des signaux de commande via le Deep Space Communication Network de la NASA. Le sous-système de commande et de traitement des données contient l'ordinateur principal du JWST et le processeur de télémétrie de commande (CTP), ainsi que son dispositif de stockage de données Solid State Recorder (SSR). Le sous-système de propulsion se compose des fusées et des réservoirs de carburant nécessaires pour orienter le télescope et le maintenir sur sa bonne orbite. Et le sous-système de contrôle thermique est conçu pour contrôler les quatre assemblages de stores de radiateur déployables et maintenir des températures de fonctionnement critiques à bord du vaisseau spatial.

Sur la base de la quantité et de la qualité extraordinaires des données collectées par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, le sentiment d'anticipation et d'excitation concernant ce que nous pourrions apprendre du JWST est naturellement élevé. La durée prévue de sa mission est de 5 à 10 ans et pendant ce temps, les scientifiques espèrent non seulement en savoir plus sur les origines et la formation de notre univers, mais aussi recueillir des informations précieuses sur d'autres mystères tels que les trous noirs, les supernovae, les bébés galaxies et les galaxies lointaines. planètes qui pourraient avoir le potentiel de soutenir la vie.

Indépendamment de ce qu'il découvre, comme le vaisseau fictif Starship Enterprise dans la populaire série télévisée Star Trek, le JWST nous donnera la capacité très réelle d'aller scientifiquement "là où aucun homme n'est allé auparavant".

Cet article a été rédigé par Bruce A. Bennett, rédacteur en chef, Photonics &Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Sources

• Ivanova, Nelly. 2012. L'espace James Webb
• Guide scientifique du télescope . Baltimore :Espace
• Institut des sciences du télescope (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/