L’espace n’est pas difficile uniquement à cause de la science des fusées. La tâche consistant à faire passer une mission de la NASA du développement et du financement à la construction et au lancement – tout cela avant même d’utiliser la chose à des fins scientifiques – peut s’étendre sur des décennies. Des carrières entières ont été consacrées à l’envoi d’un seul satellite dans l’espace. Remarquez que John Mather, physicien de la NASA et lauréat du prix Nobel, a déjà contribué à en envoyer deux.
Dans leur nouveau livre, À l’intérieur de la Star Factory : la création du télescope spatial James Webb, l’observatoire spatial le plus grand et le plus puissant de la NASA, l’auteur Christopher Wanjek et le photographe Chris Gunn emmènent les lecteurs dans les coulisses du voyage du télescope spatial James Webb, de sa création à son orbite. Tisser des examens de la technologie d’imagerie radicale qui nous permet de sonder plus profondément que jamais l’univers primitif avec les profils des chercheurs, conseillers, gestionnaires, ingénieurs et techniciens qui ont rendu cela possible grâce à trois décennies d’efforts. Dans l’extrait de Hitting the Books de cette semaine, un regard sur le scientifique du projet JWST, John Mather, et sur son propre voyage improbable depuis la campagne du New Jersey jusqu’à la NASA.
Extrait de «À l’intérieur de la Star Factory : la création du télescope spatial James Webb, l’observatoire spatial le plus grand et le plus puissant de la NASA» Copyright © 2023 par Chris Gunn et Christopher Wanjek. Utilisé avec la permission de l’éditeur, MIT Press.
John Mather, scientifique du projet
— La main ferme aux commandes
John Mather est un homme patient. Son prix Nobel de physique 2006 a duré trente ans. Ce prix, pour preuve inébranlable du Big Bang, était basé sur une machine de la taille d’un bus appelée COBE – encore une autre mission de la NASA qui a failli ne pas avoir lieu. Un drame de conception ? Été là. Faire face à des retards imprévus ? C’est fait. Pour la NASA, choisir Mather comme scientifique du projet JWST était une pure prescience.
Comme Webb, COBE – le Cosmic Background Explorer – devait être une machine à remonter le temps pour révéler un instantané de l’univers primitif. L’ère cible était 370 000 ans seulement après le Big Bang, lorsque l’univers n’était encore qu’un brouillard de particules élémentaires sans structure discernable. C’est ce qu’on appelle l’époque de la recombinaison, lorsque l’univers chaud s’est refroidi à un point tel que les protons se lient aux électrons pour former les tout premiers atomes, principalement de l’hydrogène avec une pincée d’hélium et de lithium. Au fur et à mesure que les atomes se formaient, le brouillard se dissipa et l’univers devint clair. La lumière a percé. Cette ancienne lumière, issue du Big Bang lui-même, est parmi nous aujourd’hui sous la forme d’un rayonnement micro-onde résiduel appelé fond micro-onde cosmique.
Grand mais jamais imposant, exigeant mais jamais méchant, Mather est une étude de contrastes. Son enfance s’est déroulée à seulement 1,6 km du sentier des Appalaches, dans le comté rural de Sussex, dans le New Jersey, où ses amis étaient absorbés par des questions terrestres telles que les tâches agricoles. Pourtant Mather, dont le père était spécialiste de l’élevage et des statistiques, était plus intrigué par les sciences et les mathématiques. À l’âge de six ans, il a compris le concept de l’infini lorsqu’il a rempli une page de son cahier avec un très grand nombre et s’est rendu compte qu’il pouvait continuer indéfiniment. Il s’est chargé de livres provenant d’une bibliothèque mobile qui visitait les fermes toutes les deux semaines. Son père travaillait pour la station expérimentale agricole de l’Université Rutgers et possédait un laboratoire sur la ferme avec un équipement radio-isotopique pour étudier le métabolisme et des réservoirs d’azote liquide avec du sperme de taureau congelé. Son père a également été l’un des premiers utilisateurs d’ordinateurs dans la région, vers 1960, tenant des records de production laitière de 10 000 vaches sur des cartes IBM perforées. Sa mère, enseignante dans une école primaire, était également très instruite et a suscité l’intérêt du jeune John pour les sciences.
L’occasion de profiter d’un temps chaud toute l’année a finalement amené Mather en 1968 à l’Université de Californie à Berkeley pour y poursuivre des études supérieures en physique. Il se retrouverait parmi une foule intriguée par le fond diffus cosmologique nouvellement détecté, découvert par accident en 1965 par les radioastronomes Arno Penzias et Robert Wilson. Son directeur de thèse a conçu une expérience avec un ballon pour mesurer le spectre, ou la couleur, de ce rayonnement afin de voir s’il provenait réellement du Big Bang. (C’est le cas.) La prochaine chose évidente était de faire une carte de cette lumière pour voir, comme le suggérait la théorie, si la température variait légèrement dans le ciel. Et des années plus tard, c’est exactement ce que lui et son équipe COBE ont découvert : l’anisotropie, une répartition inégale de l’énergie. Ces fluctuations de température de l’ordre du microdegré impliquent des fluctuations de densité de matière, suffisantes pour stopper l’expansion, au moins localement. Sous l’influence de la gravité, la matière s’accumulerait dans des lacs cosmiques pour former des étoiles et des galaxies des centaines de millions d’années plus tard. Essentiellement, Mather et son équipe ont capturé une échographie de l’univers infantile.
Pourtant, la mission COBE, comme Webb, a été en proie à des revers. Mather et l’équipe ont proposé le concept de mission (pour la deuxième fois) en 1976. La NASA a accepté la proposition mais, cette année-là, a déclaré que ce satellite et la plupart des autres à partir de cette date seraient mis en orbite par la navette spatiale, qui elle-même était toujours en service. en développement. L’histoire révèlera la folie d’un tel projet. Mather comprit immédiatement. Cela associait la conception du COBE à la soute de la navette non construite. Les ingénieurs devraient répondre aux exigences précises de masse et de volume d’un navire qui n’a pas encore volé. Plus gênant, COBE nécessitait une orbite polaire, difficile à assurer pour la navette spatiale. L’équipe COBE a ensuite été confrontée à des coupes budgétaires et à des compromis dans la conception de COBE en raison des dépassements de coûts d’une autre mission pionnière des sciences spatiales, le satellite astronomique infrarouge, ou IRAS. Pourtant, le travail fastidieux se poursuivait pour concevoir des instruments suffisamment sensibles pour détecter des variations de températures à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu, environ −270°C. À partir de 1980, Mather a été absorbé par la création de COBE toute la journée. L’équipe a dû rogner sur les raccourcis et prendre des décisions risquées pour respecter le budget. La nouvelle est arrivée que COBE devait être lancé dans le cadre de la mission de la navette spatiale STS-82-B en 1988 depuis la base aérienne de Vandenberg. Tous les systèmes vont.
Puis la navette spatiale Challenger a explosé en 1986, tuant les sept membres de son équipage. La NASA a immobilisé les vols de la navette pour une durée indéterminée. COBE, désormais verrouillé sur les spécifications de la navette, ne pouvait pas être lancé sur n’importe quel autre système de fusée. COBE était trop gros pour une fusée Delta à ce stade ; Ironiquement, Mather avait le Delta en tête dans son premier croquis en 1974. L’équipe se tourna vers l’Europe pour trouver un lanceur, mais ce n’était guère une option pour la NASA. Au lieu de cela, les chefs de projet ont mené une refonte pour réduire des centaines de livres, pour réduire à une masse de lancement de 5 000 livres, avec du carburant, ce qui permettrait de rester dans les limites d’un Delta de quelques livres seulement. Oh, et McDonnell Douglas a dû construire une fusée Delta à partir de pièces de rechange, après avoir été contraint d’interrompre la série au profit de la navette spatiale.
L’équipe a travaillé 24 heures sur 24 au cours des deux années suivantes. Le défi de conception final était… attendez… un pare-soleil qui devait maintenant être replié dans la fusée et libéré par ressort une fois en orbite, une approche nouvelle. COBE a obtenu le feu vert pour lancer depuis la base aérienne de Vandenberg en Californie, le site initialement souhaité car il offrirait un accès plus facile à une orbite polaire par rapport au lancement d’une navette depuis la Floride. Le lancement était prévu pour novembre 1989. COBE avait été livré plusieurs mois auparavant.
Puis, le 17 octobre, le sol californien a tremblé violemment. Un tremblement de terre de magnitude 6,9 a frappé le comté de Santa Cruz, causant d’importants dégâts aux structures. Vandenberg, à environ 200 milles au sud, a ressenti la secousse. Par pur hasard, COBE a été solidement fixé uniquement parce que deux des ingénieurs qui s’en occupaient l’ont sécurisé ce jour-là avant de partir se marier. L’instrument n’a subi aucun dommage et a été lancé avec succès le 18 novembre. D’autres drames sont survenus avec les vents violents le jour du lancement. Une myriade de soucis s’ensuivent dès les premières semaines de fonctionnement : le cryostat refroidit trop vite ; la lumière du soleil se reflétant sur la glace de l’Antarctique a fait des ravages dans le système électrique ; les électrons et les protons piégés dans les ceintures de Van Allen ont perturbé le fonctionnement de l’électronique ; et ainsi de suite.
Tous les retards, tous les drames sont devenus un lointain souvenir pour Mather à mesure que les résultats de l’expérience COBE sont arrivés. La compilation des données prendrait quatre ans. Mais les résultats ont été époustouflants. Le premier résultat est survenu quelques semaines après le lancement, lorsque Mather a montré le spectre à l’American Astronomical Society et a reçu une standing ovation. Le Big Bang était une théorie sûre. Deux ans plus tard, lors d’une réunion de l’American Physical Society en avril 1992, l’équipe a montré sa première carte. Les données correspondaient parfaitement à la théorie. C’était la rémanence du Big Bang révélant les graines qui allaient devenir des étoiles et des galaxies. Le physicien Stephen Hawking l’a qualifié de « découverte la plus importante du siècle, sinon de tous les temps ».
Mather a humblement parlé de sa découverte lors de son discours d’acceptation du prix Nobel en 2006, créditant pleinement sa remarquable équipe et son collègue George Smoot, qui a partagé le prix avec lui cette année-là. Mais il n’a pas minimisé cet exploit. Il a noté qu’il était ravi de la « reconnaissance désormais plus large que notre travail était aussi important que les gens du monde de l’astronomie professionnelle le savent depuis si longtemps ».
Mather maintient ce réalisme aujourd’hui. Bien qu’il soit préoccupé par les retards, les menaces d’annulation, les dépassements de coûts et l’animosité pas trop subtile de la communauté scientifique au sens large à propos du « télescope qui a mangé l’astronomie », il n’a pas laissé cela consumer lui ou son équipe. « Cela ne sert à rien d’essayer de gérer les sentiments des autres », a-t-il déclaré. « Une grande partie de l’opinion de la communauté est : ‘Eh bien, si c’était mon nickel, je le dépenserais différemment.’ Mais ce n’est pas leur nickel; et la raison pour laquelle nous avons le nickel en premier lieu est que la NASA relève des défis incroyablement grands. Le Congrès a approuvé que nous relevions de grands défis. Et les grands défis ne sont pas gratuits. Mon sentiment est que la seule raison pour laquelle nous avons un programme d’astronomie à la NASA dont tout le monde peut profiter – ou se plaindre – est que nous réalisons des projets étonnamment difficiles. Nous allons à la limite du possible. »
Webb n’est pas seulement un peu meilleur que le télescope spatial Hubble, a ajouté Mather ; c’est cent fois plus puissant. Pourtant, sa plus grande préoccupation lors de la conception de la mission n’était pas les instruments d’astronomie avancés, mais plutôt le pare-soleil massif, qui devait se déployer. Tous les instruments et tous les mécanismes de déploiement étaient dotés d’une redondance ; il existe deux façons ou plus de les faire fonctionner si la méthode principale échoue. Mais ce n’est pas le seul problème d’un pare-soleil. Soit cela fonctionnerait, soit cela ne fonctionnerait pas.
Mather peut désormais se concentrer entièrement sur la science disponible. Il s’attend à des surprises ; il serait surpris s’il n’y avait pas de surprises. « Presque tout en astronomie est une surprise », a-t-il déclaré. « Lorsque vous aurez un nouvel équipement, vous aurez une surprise. » Son intuition est que Webb pourrait révéler quelque chose d’étrange à propos de l’univers primitif, peut-être une abondance d’objets éphémères jamais vus auparavant qui disent quelque chose sur l’énergie noire, la force mystérieuse qui semble accélérer l’expansion de l’univers, ou la tout aussi mystérieuse matière noire. Il a également hâte que Webb tourne ses caméras vers Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche de la Terre. Et s’il existait là-bas une planète propice à la vie ? Webb devrait avoir la sensibilité nécessaire pour détecter les molécules dans son atmosphère, le cas échéant.
« Ce serait cool », a déclaré Mather. Des indices de vie provenant du système stellaire le plus proche ? Oui, cool, en effet.