Le télescope spatial James Webb de la NASA, d’une valeur de 10 milliards de dollars, étudiera les origines de l’univers

Au cours des 31 dernières années, le télescope spatial Hubble a été une plate-forme d’observation extrêmement polyvalente pour les astronomes, mais il a commencé à montrer son âge récemment. Dernière révision en 2009, le télescope a dû passer plusieurs fois en « mode sans échec » d’arrêt partiel au cours des dernières années, le plus récemment en octobre. Et tandis que des estimations optimistes suggèrent que Hubble pourrait rester en opération jusqu’à la fin de la décennie, la NASA, avec ses partenaires de l’ESA et de l’ASC, a déjà passé plus d’une douzaine d’années à développer un successeur, le James Webb Space Telescope (JWST). Lorsque le Webb sera lancé – actuellement prévu pour le décollage le jour de Noël – il deviendra l’œil prééminent de l’humanité dans le ciel pour les décennies à venir.

Le JWST de 7,2 tonnes sera le plus grand télescope jamais mis en orbite par la NASA. Son réseau de miroirs primaires de 6,5 mètres – composé de 18 segments hexagonaux plaqués or – est plus de deux fois plus grand que celui de Hubble et près de 60 fois plus grand que le télescope Spitzer, qui a pris sa retraite en 2020. Le pare-soleil qu’il utilise pour se protéger ses capteurs infrarouges délicats sont presque aussi longs qu’un court de tennis, et le télescope dans son ensemble mesure trois étages. Les 458 gigabits de données collectées quotidiennement seront d’abord acheminés via le réseau Deep Space de la NASA, puis transmis au Space Telescope Science Institute de Baltimore, dans le Maryland, qui rassemblera et diffusera ces informations à la grande communauté astronomique.

Lorsqu’il atteindra sa maison orbitale au point L2 de Lagrange à 930 000 milles de la Terre, le JWST commencera sa mission en quatre points : rechercher la lumière des premières étoiles post-Big Bang ; étudier la formation et le développement des galaxies, examiner l’évolution des étoiles et des systèmes planétaires; et à la recherche des origines de la vie.

Pour ce faire, le Webb adoptera une approche différente du Hubble avant lui. Alors que Hubble regardait l’univers dans les spectres visible et ultraviolet, le JWST verra dans l’infrarouge, tout comme le Spitzer le faisait auparavant, mais avec une résolution et une clarté bien plus grandes. L’utilisation de cet infrarouge est essentielle à la mission de Webb, car cette longueur d’onde peut traverser des nuages ​​de gaz et de poussière interstellaires pour voir au-delà des objets autrement obscurcis.

La suite de caméras Webb est composée de quatre composants individuels : l’instrument à infrarouge moyen (MIRI), la caméra à infrarouge proche (NIRCam), le spectrographe à infrarouge proche (NIRSpec) et l’imageur à infrarouge proche et le spectrographe sans fente/le capteur de guidage fin (NIRISS/FGS). Ces instruments sont en fait si sensibles qu’ils peuvent détecter leur propre rayonnement thermique lorsqu’ils fonctionnent. Pour minimiser ces émissions infrarouges, trois des capteurs sont refroidis à une température négative de 388 degrés Fahrenheit (-233 degrés C). Le MIRI particulièrement sensible est refroidi encore plus à -448 degrés F (-266 degrés C) – c’est à peine 7 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu.

Obtenir le MIRI aussi froid n’est pas une mince affaire. Une fois le JWST en orbite, le télescope passera des semaines à refroidir lentement le capteur à sa température de fonctionnement optimale à l’aide d’un système de réfrigération à base d’hélium.

« Il est relativement facile de refroidir quelque chose à cette température sur Terre, généralement pour des applications scientifiques ou industrielles », a déclaré Konstantin Penanen, spécialiste des cryoréfrigérants du JPL, dans un récent article de blog de la NASA. « Mais ces systèmes terrestres sont très volumineux et peu énergivores. Pour un observatoire spatial, nous avons besoin d’un refroidisseur qui soit physiquement compact, très économe en énergie, et il doit être très fiable car nous ne pouvons pas sortir et le réparer. Voilà donc les défis auxquels nous avons été confrontés, et à cet égard, je dirais que le cryoréfrigérant MIRI est certainement à la pointe de la technologie.

L’effort supplémentaire requis par MIRI en vaudra la peine car les télescopes infrarouges au sol – en particulier ceux fonctionnant dans le spectre infrarouge moyen comme MIRI, sont largement entravés par les émissions de chaleur des appareils eux-mêmes et de l’atmosphère environnante.

« Avec les trois autres instruments, Webb observe des longueurs d’onde jusqu’à 5 microns. L’ajout de longueurs d’onde jusqu’à 28,5 microns avec MIRI augmente vraiment sa portée scientifique », a déclaré George Rieke, professeur d’astronomie à l’Université de l’Arizona, plus tôt ce mois-ci dans un blog de la NASA. « Cela inclut tout, de l’étude des protoétoiles et de leurs disques protoplanétaires environnants, au bilan énergétique des exoplanètes, à la perte de masse des étoiles évoluées, aux tores circumnucléaires autour des trous noirs centraux dans les noyaux galactiques actifs, et bien plus encore. »

Compte tenu des besoins très spécifiques de basse température du JWST, il est crucial de garder la suite de capteurs du télescope à l’abri de la lumière directe du soleil (et bloquée des autres sources lumineuses comme la Lune et la Terre). Pour s’assurer que ces caméras sont perpétuellement ombragées, les ingénieurs de la NASA ont construit un pare-soleil à cinq couches fabriqué à partir d’un film Kapton revêtu d’aluminium pour les garder dans l’obscurité froide et froide.

« La forme et la conception dirigent également la chaleur sur les côtés, autour du périmètre, entre les couches », a déclaré James Cooper, responsable du pare-soleil du JWST au Goddard Space Flight Center. « La chaleur générée par le bus du vaisseau spatial au » noyau « , ou au centre, est expulsée entre les couches de la membrane afin qu’elle ne puisse pas chauffer l’optique. »

Mesurant 69,5 pieds sur 46,5 pieds sur 0,001 pouces, le pare-soleil en forme de cerf-volant est empilé sur cinq couches de haut de sorte que l’énergie absorbée par la couche supérieure rayonne dans l’espace entre elles, rendant chaque couche successive légèrement plus froide que celle au-dessus. En fait, la différence de température au niveau des couches les plus externes (383K, ou 230 degrés F) et les plus internes (36K, environ -394 degrés F) est à peu près un ordre de grandeur.

Afin de collecter suffisamment de lumière pour voir les étoiles les plus faibles et les plus éloignées possibles – certaines jusqu’à 13 milliards d’années-lumière – le JWST s’appuiera sur son immense réseau de miroirs primaires de 6,5 m. Contrairement au Hubble, qui utilisait un seul miroir de 2,4 m de large, le miroir de Webb est divisé en 18 segments individuels, pesant chacun seulement 46 livres grâce à leur construction en béryllium. Ils sont recouverts d’or pour améliorer leur réflexion de la lumière infrarouge et de forme hexagonale de sorte que, lorsqu’ils sont entièrement assemblés en orbite, ils s’emboîtent suffisamment pour agir comme un seul plan réfléchissant symétrique et sans espace. Leur petite taille leur permet également d’être facilement divisés et repliés afin de s’adapter à l’espace restreint de la fusée Ariane 5 qu’ils mettront en orbite.

Le rôle de coordonner ces segments pour se concentrer sur un seul point dans une galaxie lointaine revient à l’ensemble d’actionneurs des miroirs. Sept petits moteurs se trouvent à l’arrière de chaque segment de miroir (un à chaque coin et un septième au milieu), permettant un contrôle précis de leur orientation et de leur courbure. « L’alignement des segments de miroir primaire comme s’il s’agissait d’un seul grand miroir signifie que chaque miroir est aligné à 1/10 000e de l’épaisseur d’un cheveu humain », a déclaré Lee Feinberg, responsable des éléments du télescope optique Webb.

Après plus de 20 ans de développement et de retards, coûtant 10 milliards de dollars et impliquant les efforts de plus de 10 000 personnes, le télescope Webb est enfin prêt à être lancé – et j’espère que cette fois, cela prendra réellement. Le programme a vu retarder, après retard, après retard, son calendrier de lancement. La NASA a abandonné la date initiale de mars 2021 à la suite de l’épidémie initiale de COVID-19 et de ses blocages associés – bien que, pour être juste, le GAO en janvier 2020 n’avait donné au JWST qu’une chance de 12% de décoller d’ici le fin de cette année – et a fixé un vague calendrier «d’ici 2021» pour son lancement.

La NASA a ensuite révisé cette estimation en une entreprise «dans le courant d’octobre 2021», s’installant finalement sur une fenêtre de lancement d’Halloween, pour la reporter à nouveau à fin novembre/début décembre. Bien sûr, début décembre est rapidement devenu fin décembre, en particulier le 22, qui a ensuite été repoussé une fois de plus à sa date actuelle du 24 décembre. En fait, fais ça le 25.

Ces retards ont été causés par la myriade de facteurs qui entrent en jeu pour préparer un instrument de cette taille et de cette sensibilité au lancement. Après avoir terminé sa construction, le JWST a dû subir une batterie exhaustive de tests, puis être délicatement chargé dans un conteneur d’expédition et transporté jusqu’à son site de lancement à Kourou, en Guyane française. Une fois sur place, la tâche réelle de préparation, de ravitaillement et de chargement du JWST sur une fusée Ariane 5 a pris 55 jours supplémentaires.

Ce délai a encore été prolongé en raison d’un « incident » le 9 novembre dans lequel « un relâchement soudain et imprévu d’une bande de serrage – qui sécurise Webb à l’adaptateur du lanceur – a provoqué une vibration dans tout l’observatoire », selon la NASA. Le comité d’examen des anomalies de Webb a lancé une série de tests supplémentaires pour s’assurer que ces vibrations n’endommagent pas d’autres composants ou ne désalignent aucun élément important.

Maintenant que le télescope a été jugé A-OK, les derniers préparatifs sont en cours. À moins d’autres revers, le JWST sera lancé à 7h20 ET le jour de Noël (regardez ici en direct !) ses miroirs et son pare-soleil, puis commencez à explorer les profondeurs de l’univers primitif.