Télescope spatial James Webb : percer les origines de l'Univers

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

Initialement appelé Next Generation Space Telescope (NGST) et rebaptisé en septembre 2002 pour honorer l'ancien administrateur de la NASA James Webb, le JWST représente une collaboration internationale entre la NASA, l'Agence spatiale canadienne (ASC), l'Agence spatiale européenne (ESA), le fabricant aérospatial Northrop Grumman, et le Space Telescope Science 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 fait l'histoire ? Pour une chose, Hubble, lancé en 1990, est un télescope optique ; le JWST est un télescope infrarouge. Alors que les ondes lumineuses traversent l'univers en expansion continue, elles s'« étirent », ce qui signifie qu'elles se décalent vers des longueurs d'onde énergétiques plus longues, plus rouges. À un moment donné, la lumière visible autrefois émise par les étoiles les plus lointaines de l'univers se déplace vers des longueurs d'onde infrarouges qui ne peuvent plus être détectées par des télescopes optiques comme Hubble. Le JWST est spécifiquement conçu pour capturer des images de ces ondes lumineuses infrarouges et les analyser à l'aide de spectroscopie de pointe.

Le JWST ne sera pas la première fois que les scientifiques utilisent la technologie infrarouge pour explorer l'univers. En 1983, la NASA a lancé son satellite astronomique infrarouge révolutionnaire (IRAS) en orbite, en faisant le premier télescope infrarouge spatial au monde. Projet conjoint conçu par les États-Unis, les Pays-Bas et le Royaume-Uni, il orbitait à 559 miles au-dessus de la Terre lors d'une mission de 10 mois qui 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, lancé en 2003.

Entre ces jalons, l'Agence spatiale européenne, travaillant avec la NASA et l'Institut des sciences spatiales et astronautiques du Japon (ISAS), a lancé l'Observatoire spatial infrarouge (ISO) en novembre 1995 pour une mission de trois ans conçue pour observer environ 30 000 sources infrarouges, effectuer de l'imagerie dans la gamme de 2,5 à 240 micromètres, de la 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 donné au télescope optique Hubble une capacité infrarouge en l'équipant de la Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) lors de la mission de maintenance 2 (STS-82).

NICMOS, un dispositif d'imagerie combiné et spectromètre conçu et construit par Ball Aerospace & Technologies Corp., comportait trois détecteurs proche infrarouge au tellurure de mercure-cadmium collés sur 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 fluide cryogénique, puis à nouveau de 2002 à 2008 suite à l'installation d'un nouveau système de refroidissement cryogénique lors de la mission de maintenance 3B (STS-109), a été finalement remplacé en 2009 par la Wide Field Camera 3 (WFC3) lors de la mission de maintenance 4 (STS-125). Bien que n'étant pas strictement un instrument infrarouge — il avait aussi un canal UV et optique capable d'enregistrer des images dans la gamme de 200 à 1000 nm — la WFC3 avait un détecteur proche infrarouge conçu pour capturer des images dans la gamme de 800 à 1700 nm. Bien que limitée dans sa capacité infrarouge par rapport à NICMOS (1700 nm contre 2500 nm), la WFC3 pouvait être refroidie thermoélectriquement, éliminant le besoin de refroidissement cryogénique.

Le miroir

Sans doute l'instrument scientifique le plus technologiquement avancé jamais lancé dans l'espace, le JWST non seulement combiner les meilleurs aspects des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, mais les dépassera largement, en commençant par la taille de son miroir primaire. Le miroir de Webb aura 6,5 mètres de diamètre contre 2,4 mètres pour Hubble et 0,8 mètre pour le compact Spitzer.

Puisqu'un miroir de cette taille est trop grand pour tenir dans n'importe quel véhicule de lancement actuel, il sera composé de 18 segments hexagonaux individuels en béryllium léger qui se déploieront et s'ajusteront automatiquement en forme une fois en orbite. Chaque segment sera revêtu par dépôt sous vide d'une fine couche d'or de seulement 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/cm³), cela représente 48,25 g d'or — environ la masse d'une balle de golf — pour recouvrir une surface de 25 m². Pourquoi l'or ? Une réflectivité supérieure. L'or réfléchira 98 % de la lumière infrarouge collectée, alors qu'un matériau comme 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 de la Terre. Plus un télescope est éloigné de l'atmosphère terrestre, moins il y a d'éléments pour affecter négativement la qualité des données collectées. Il sera également assez loin du champ magnétique protecteur de la Terre où les rayons cosmiques de haute énergie pourraient interférer avec ses signaux ou créer des charges électriques qui pourraient potentiellement endommager les instruments sensibles du télescope. Comme assurance supplémentaire, le JWST a été conçu avec un blindage spécial et des matériaux conducteurs pour empêcher l'accumulation de tension et endommager les pare-soleil et sous-systèmes du vaisseau. Le télescope fera une orbite complète autour de L2 tous les 198 jours... au cas où vous voudriez l'observer.

Le pare-soleil

Le pare-soleil du télescope, d'environ la taille d'un court de tennis (21,197 m × 14,162 m), est de loin l'élément le plus grand du JWST. Composé de cinq couches de Kapton® DuPont™ recouvert de silicium, chacune d'une épaisseur inférieure à 1 mm, le but principal du pare-soleil est de séparer le côté froid du télescope, où se trouve l'instrumentation, du côté face au soleil. La température maximale que la couche 1 peut supporter est de 383 K (~ 110 °C), tandis que la couche 5 peut supporter une température maximale de 221 K (~ -52 °C) et une température minimale de 36 K (~ -237 °C). Comme les détecteurs infrarouges préfèrent les températures froides 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 (~ -223 °C).

Compte tenu de la taille du pare-soleil et de la finesse de ses matériaux, l'un des défis d'ingénierie pour ses concepteurs était de le rendre assez solide pour résister aux rigueurs du voyage spatial. Ils y sont parvenus en créant un système ingénieux de nervures de support qui fourniront la stabilité structurelle nécessaire sans devenir cassant. Le système tolérera également les petites déchirures causées par les débris spatiaux sans faillir.

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

Les instruments scientifiques

L'ISIM contient les quatre principaux instruments scientifiques du JWST : la caméra proche infrarouge (NIRCam), le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec), l'instrument moyen infrarouge (MIRI), et le capteur de guidage fin / imageur 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 est de capturer des images dans la gamme de longueurs d'onde de 600 nm à 5000 nm en utilisant une exposition de 10 000 secondes (environ 2,8 heures). Conçue pour fonctionner à 37 K (~ -236 °C), elle 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 la performance des 18 segments du miroir primaire, assurant que le télescope reste au point.

Le spectrographe proche infrarouge, contribué 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 de fentes programmables contenant environ 250 000 micro-obturateurs, chacun mesurant seulement 100 × 200 microns. Le NIRSpec a quatre modes opérationnels : Spectroscopie multi-objets (MOS), Mode unité de champ intégral (IFU), Spectroscopie à fente à contraste élevé (SLIT), et Mode imagerie (IMA). Comme la caméra proche infrarouge, il sera utilisé pour analyser la lumière collectée depuis les origines de l'univers.

L'instrument moyen infrarouge est conçu pour fonctionner à la fois comme caméra et spectrographe et prend le relais là où les instruments 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 sa performance dans ce domaine réside dans ses détecteurs au silicium dopé à l'arsenic, également appelés Modules de Plan Focal (FPM), qui ont une résolution de 1024 × 1024 pixels. Le MIRI, qui est refroidi cryogéniquement à 7 K (~ -266 °C), contient également un spectromètre à basse résolution équipé de prismes en germanium et sulfure de zinc qui peuvent analyser la lumière dans la gamme de 5000 nm à 12000 nm. Il est également équipé de coronographes, lui donnant la capacité 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 800 nm à 5000 nm et remplit deux fonctions. Le capteur de guidage fin fournit au JWST son sens de l'orientation, le pointant vers des cibles désignées. L'imageur proche infrarouge et spectrographe sans fente, qui est équipé d'un réseau de mercure-cadmium de 2048 × 2048 pixels et a un champ de vision de 2,2 pi × 2,2 pi, est conçu pour détecter et analyser les exoplanètes.

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

Les sous-systèmes

La pièce finale du puzzle est l'élément vaisseau spatial, qui se compose du pare-soleil et du Bus du vaisseau spatial. En plus de supporter la masse totale de 6500 kg du télescope, le Bus du vaisseau spatial, fait de matériau composite graphite, abrite les six sous-systèmes majeurs du JWST : le sous-système d'alimentation électrique, le sous-système de contrôle d'attitude, le sous-système de communication, le sous-système de commande et de gestion 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 énergie 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 réseau de communication spatial profond de la NASA. Le sous-système de commande et de gestion des données contient l'ordinateur principal du JWST et le processeur de télémétrie de commande (CTP), ainsi que son dispositif de stockage de données à enregistreur à semi-conducteurs (SSR). Le sous-système de propulsion comprend les fusées et réservoirs de carburant nécessaires pour viser le télescope et le maintenir dans son orbite appropriée. Et le sous-système de contrôle thermique est conçu pour contrôler les quatre assemblages de radiateurs déployables et maintenir les températures de fonctionnement critiques à bord du vaisseau spatial.

Basé sur l'extraordinaire quantité et qualité de données collectées par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, le sentiment d'anticipation et d'excitation quant à ce que nous pourrions apprendre du JWST est compréhensiblement élevé. Sa durée de mission projetée est de 5 à 10 ans et dans ce laps de temps, les scientifiques espèrent non seulement en apprendre davantage 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 galaxies naissantes, et les planètes lointaines qui pourraient avoir le potentiel de soutenir la vie.

Quoi qu'il découvre, comme le vaisseau spatial fictif Enterprise dans la populaire série télévisée Star Trek, le JWST nous donnera la capacité bien réelle d'aller scientifiquement « là où nul homme n'est allé auparavant ».

Cet article a été écrit par Bruce A. Bennett, Éditeur, Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (New York, NY).

Sources

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/