Le James Webb Space Telescope expliqué par ceux qui l’ont fait

Pierre-Olivier Lagage est chercheur au Laboratoire Astrophysique, instrumentation et modélisation (LAOIM) du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) du Centre national de recherche scientifique (CNRS, France). Alain Abergel est professeur d’astrophysique à l’Université Paris-Saclay. Anthony Boccaletti est directeur de recherche au CNRS. Christophe Cossou est ingénieur CEA au LAOIM. Dan Dicken est scientifique de projet à l’Université Paris-Saclay. Patrice Bouchet est chef de projet au Centre d’expertise MIRI/JWST du CEA.

Cette fois, ça y est ! Le James Webb Space Telescope (JWST), ou « Webb », est à Kourou et devrait être lancé par une fusée Ariane le 24 décembre 2021. Oui, il accuse un retard de plus de 10 ans par rapport aux premières estimations ! Oui, son coût a été multiplié par 10 ! Mais la moisson scientifique s’annonce exceptionnelle.

Le Webb va permettre de sonder des zones du cosmos vierges d’observations grâce à son miroir de 6,5 m de diamètre, le plus grand jamais déployé dans l’espace, et ses quatre instruments scrutant dans l’infrarouge : NIRCam, NIRISS, NIRSpec et MIRI (les « IR » viennent d’« infrarouge »).

Webb, mission phare de la NASA et des agences spatiales européenne (ESA) et canadienne (ASC), va prendre le relais du télescope spatial Hubble pour observer plus loin dans l’Univers. Vitesse de la lumière oblige, il regardera ainsi plus tôt dans l’histoire, jusqu’aux moments où les premières galaxies et les premières étoiles se sont formées. Mais il va aussi relayer le télescope spatial infrarouge Spitzer pour aller sonder les atmosphères d’exoplanètes, les étoiles et les systèmes planétaires en formation, l’évolution des galaxies…

En somme, tous les domaines de l’astrophysique vont en bénéficier.

Nous faisons partie des plus de 1 200 scientifiques de 14 pays qui ont contribué au JWST. En France, nous avons surtout participé à la mise au point de l’instrument MIRI, le seul des quatre qui fonctionne dans le domaine de l’infrarouge dit « thermique ». Observant dans les longueurs d’onde entre 5 et 28 micromètres, il sera le plus à même d’examiner le gaz et les poussières dans des objets beaucoup plus froids que des étoiles comme notre Soleil. Il permettra, par exemple, de voir des étoiles jeunes encore profondément enfouies dans le nuage de gaz et de poussières dans lequel elles se forment. MIRI sera également le complément indispensable de NIRCam pour identifier les premières galaxies de l’Univers.

L’épopée du télescope Webb

Initialement, il était loin d’être acquis qu’un instrument pour l’infrarouge thermique serait intégré à la suite instrumentale du JWST (appelé Next Generation Space Telescope à l’époque). Il a fallu convaincre la NASA et l’ESA de l’importance scientifique et de la faisabilité d’un tel instrument. L’un d’entre nous (Pierre-Olivier Lagage) faisait partie du petit groupe d’astrophysiciens qui ont milité en ce sens en Europe et aux États-Unis.

C’était… à la fin des années 90. Le lancement du Webb Telescope était alors prévu pour 2007. Mais il a été reporté à maintes reprises et l’épopée de l’instrument MIRI illustre bien les raisons de ces retards successifs.

Le Webb sera en orbite à 1,5 million de km de la Terre, soit quatre fois la distance Terre-Lune. Il ne sera pas possible d’aller le réparer en cas de problème, comme cela a été fait pour Hubble, qui orbite à « seulement » 570 km de la Terre : lors de la mise en fonctionnement de Hubble, la qualité des images s’est avérée très décevante, mais l’installation par des astronautes d’un correcteur optique a permis d’obtenir la définition escomptée.

Pour Webb, nous n’avons pas le droit à l’erreur — d’où l’importance du travail de conception et des tests avant le lancement !

MIRI, un instrument de pointe pour les exoplanètes

MIRI est constitué de deux parties principales : un « imageur », qui permet de faire des photos (c’est la partie appelée « MIRIM »), et un spectromètre, qui permet d’étudier la lumière reçue en fonction de la longueur d’onde — et donc, par exemple, de déterminer quels éléments chimiques sont présents dans l’objet que l’on observe (c’est le « MRS »). Les performances de ces instruments placés au foyer du plus grand télescope spatial en service seront sans précédent.

Dans un sens, pour l’étude des exoplanètes, les retards du lancement de Webb sont une bonne nouvelle. En effet, ce domaine a explosé ces dernières décennies et nous disposons actuellement d’une richesse d’exoplanètes à observer, dont des planètes rocheuses, qui n’étaient pas connues en 2007.

On étudie désormais beaucoup les exoplanètes par la méthode dite « des transits » : on scrute les infimes variations de la luminosité d’une étoile distante dues au passage d’une exoplanète qui l’entourerait. MIRI a donc été « amélioré » pour utiliser cette méthode des transits. Il s’agit de lire seulement une petite partie du détecteur, afin de le faire très rapidement sans le saturer. Au fond, on « détourne » un peu le but premier de Webb, conçu pour observer des objets peu lumineux ou très lointains, afin de profiter de sa grande sensibilité.

MIRI dispose aussi de coronographes. Utilisés historiquement pour observer la couronne du Soleil en cachant le disque trop brillant qui empêche de voir les détails alentour, les coronographes ont été adaptés pour observer les étoiles, et ainsi distinguer d’éventuelles exoplanètes qui se trouveraient à proximité. MIRI emporte un coronographe classique (dit « de Lyot ») et trois coronographes « à masque de phase », très performants, lesquels vont être envoyés dans l’espace pour la première fois.

Du berceau au décollage

Après plusieurs années d’études préliminaires, c’est en 2004 que la contribution française à MIRI a été approuvée par le CNES, le CEA et le CNRS.

Le modèle de vol de l’imageur MIRIM a été assemblé et testé au CEA Paris-Saclay en 2008 et 2009 ; un banc de test qui permet de reproduire les conditions de vide et de froid que rencontrera MIRIM une fois dans l’espace a été mis au point spécialement pour l’occasion. En 2010, MIRIM a été envoyé au Rutherford Appleton Laboratory, en Angleterre, pour être couplé avec l’autre partie de MIRI, le spectromètre MRS, puis testé dans une chambre à vide suffisamment grande pour l’instrument complet.

En 2012, MIRI a été envoyé au Goddard Space Center de la NASA, près de Washington, où il a été couplé avec les trois autres instruments du JWST. Trois séries de tests cryogéniques ont suivi entre 2012 et 2016.

Les 18 hexagones du miroir primaire du télescope ont aussi été assemblés au Goddard Space Center de novembre 2015 à février 2016. Les instruments ont été montés à l’arrière du miroir primaire du télescope et l’ensemble a été envoyé en 2017 à Houston pour être testé, car la station de test au Goddard Space Center n’était pas assez grande pour accueillir le télescope. L’équipe CEA était sur place pour les tests au moment où l’ouragan Harvey s’est abattu. Plus de peur que de mal ; juste quelques nuits au laboratoire sans pouvoir regagner l’hôtel et une voiture complètement noyée !

Une fois les tests finis, nous avons « lâché » MIRI pour son voyage dans les locaux de l’entreprise Northrop Grumman, en Californie, où il est arrivé au début de 2018. Là, le télescope a été couplé avec le satellite et les grands écrans thermiques qui vont empêcher les rayons du Soleil, de la Terre et de la Lune de parvenir au télescope. Celui-ci pourra alors atteindre passivement une température d’environ 45 K (-228 ℃), nécessaire pour ne pas que les observations soient gênées dans l’infrarouge.

Enfin, fin septembre 2021, Webb a quitté la Californie pour Kourou, où il est arrivé après un voyage en bateau de 16 jours qui l’a amené à passer par le canal de Panamá (bloqué quelques mois plus tôt !).

Paré au décollage… et prêt à entreprendre les tests et observations scientifiques

L’aventure spatiale va alors commencer le 22 décembre 2021, avec la série de tests sur le ciel, qui vont durer six mois. Puis, fin juin 2022, c’est l’exploration scientifique qui va pouvoir débuter, après trois décennies de développement.

Une petite partie du temps d’observation est réservée aux astrophysiciens ayant participé à la mise au point instrumentale. Dans ce cadre, nous coordonnons les observations qui seront consacrées aux exoplanètes, à la supernova 1987A et à deux régions photodominées.

L’essentiel du temps d’observation sera « ouvert » : chaque année durant les 5 à 10 ans de sa durée de vie, plusieurs appels pour l’utilisation du Webb seront programmés. Le premier appel a eu lieu en 2020. Plus de 1 000 demandes ont été déposées, concernant plus de 4 000 astrophysiciens d’un peu partout dans le monde. Le nombre d’heures d’observation demandées est très supérieur (de quatre à cinq fois) au nombre d’heures disponibles, et la sélection a été faite par des comités de scientifiques. Il est satisfaisant de voir que MIRI est au deuxième rang des instruments les plus sollicités. Nous avons bien fait d’insister pour qu’il « monte » à bord du Webb !

MIRI est un instrument mis au point par un consortium de laboratoires spatiaux européens, qui se sont occupés de l’aspect optomécanique, de l’assemblage et des tests d’ensemble de l’instrument, et par le centre JPL de la NASA, qui a fourni les matrices de détecteurs et le système de refroidissement de MIRI.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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