Le télescope spatial James-Webb (JWST) doit remplacer Hubble. Il a été testé à -253 °C. Photo prise au Centre spatial Goddard, de la Nasa. © Nasa, Chris Gunn

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Le télescope spatial James-Webb, qui doit remplacer Hubble, testé à -253 °C

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L'observatoire James-Webb doit remplacer Hubble. Pour s'assurer qu'il fonctionnera correctement dans l'espace, il a d'abord été testé sur Terre, au Centre spatial de la Nasa, à Houston (Texas, États-Unis), à -253 °C. Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au CEA impliqué dans le projet, nous explique cet essai cryogénique.

L'observatoire spatial James-Webb (JWST), affectueusement appelé « le Webb », partira de la Terre au printemps 2019 grâce à un lanceur Ariane 5, pour prendre la succession du télescope Hubble. Il sera installé au point de Lagrange L2, situé à 1,5 million de kilomètres de notre Planète, soit environ quatre fois plus loin que la Lune. Cette région de l'espace n'a évidemment pas été choisie au hasard. C'est un promontoire exceptionnel pour observer l'espace lointain, à l'écart du Soleil et de la Terre, qui doit permettre au Webb d'atteindre des objectifs scientifiques très ambitieux.

À cette distance, le télescope de 6,5 m et les quatre instruments de l'observatoire, à l'ombre d'un bouclier thermique, fonctionneront en permanence à -253 °C, une température proche du zéro absolu, fixé à -273,15 °C. Avant le lancement, il était donc nécessaire de tester le satellite au sol en recréant les conditions environnementales glaciales que le Webb subira dans l'espace. Ces tests cryogéniques ont été réalisés au Centre spatial Johnson, de la Nasa, à Houston, aux États-Unis, à l'intérieur de la plus grande cuve cryogénique du monde. Ils sont aujourd'hui terminés.

Pendant près de 100 jours, des équipes d'ingénieurs et de scientifiques des États-Unis, d'Europe et du Canada (dont les trois agences sont partenaires sur le programme) se sont relayées pour tester le télescope et les instruments du JWST (l'ensemble étant appelé Otis) ; ceux-ci ont été installés dans cette cuve, dont la température a été progressivement abaissée jusqu'à -253 °C.

Voici la gigantesque cuve cryogénique du centre spatial Johnson de la Nasa, à Houston, aux États-Unis, à l'intérieur de laquelle le télescope et les instruments de l'observatoire spatial ont été testés. C’est la seule cuve au monde d’une taille suffisante pour permettre les tests cryogéniques d’un télescope dont le miroir fait 6,5 mètres de diamètre (en comparaison, le miroir de Hubble ne mesure que 2,4 mètres de diamètre). © D. Stover, Nasa

Le télescope et les instruments testés ensemble pour la première fois

C'est la première fois que l'ensemble Otis était testé. Certes, les instruments avaient déjà été testés préalablement, mais indépendamment du télescope, lors d'une série de trois tests cryogéniques réalisés au cours des années 2013 à 2016, dans une cuve plus petite, au Centre de vol spatial Goddard de la Nasa, à Greenbelt (Maryland, États-Unis).

Ces tests, qui viennent de se terminer, sont une étape très importante pour l'observatoire spatial James-Webb. Ils sont « le point culminant d'un travail de préparation qui a duré près de 15 ans ! », nous explique Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) impliqué dans l'imageur Mirim, de la caméra infrarouge Miri, un des quatre instruments de l'observatoire spatial James-Webb. Ce travail « a permis que ces tests extrêmement complexes se déroulent en douceur et sans problème majeur ». Il nous en dit plus.

Comment ces tests se sont-ils déroulés ?

Pierre-Olivier Lagage : Les tests se sont très bien déroulés. Il y a, bien sûr, eu des problèmes (impossible de ne pas en avoir sur un projet aussi complexe), mais rien de majeur. Même l'ouragan Harvey n'a pas réussi à les interrompre ! Au final, des bonnes nouvelles et une conclusion heureuse : les instruments et le télescope sont prêts à rejoindre le satellite et son bouclier thermique dans les locaux de Northrop Grumman, à Redondo Beach (en Californie), où la dernière phase d'assemblage du JWST aura lieu.

Des points particuliers sur lesquels l'attention des équipes était focalisée ?

Pierre-Olivier Lagage : Il y avait le télescope et les instruments. Le télescope était testé et assemblé pour la première fois à la température qu'il aura une fois dans l'espace. Il fallait vérifier que ses 18 segments seraient bien capables de travailler ensemble comme un unique miroir de 6 m 50, mais aussi que les procédures utilisées pour l'aligner une fois dans l'espace étaient bien au point...

Pour les instruments, il s'agissait de vérifier qu'ils étaient toujours en bon état de marche après avoir été installés à l'arrière du télescope. Les équipes européennes ont prêté une attention particulière aux instruments Miri et NirSpec — des instituts scientifiques européens, des industriels européens et l'Agence spatiale européenne (ESA) ont contribué à ces instruments.

La Nasa annonce que les tests ont montré le bon alignement optique entre le télescope et les instruments. Pouvez-vous nous expliquer de quoi il est question ?

Pierre-Olivier Lagage : Cet alignement est le point clé pour atteindre les performances attendues. Les étapes les plus importantes et complexes de l'alignement du JWST sont celles du télescope lui-même, mais il fallait, bien sûr, s'assurer aussi que tous les instruments (NirCam, Niriss, NirSpec et Miri) ainsi que l'instrument de guidage (FGS) étaient bien alignés. Ceci a été fait pendant la campagne de tests grâce à des sources lumineuses* présentes dans la chambre cryogénique et les résultats sont positifs (les instruments sont correctement alignés).

* [Il s'agit d'un dispositif constitué d'une fibre optique infrarouge qui permet de vérifier la bonne qualité optique et l'alignement du miroir du JWST en confrontant les images obtenues à celles attendues par la simulation, NDLR]. 

Les quatre instruments sont-ils fin prêts pour observer ?

Pierre-Olivier Lagage : Oui. Cependant, pendant les six mois suivant la mise en orbite, les équipes testeront les capacités de détection des différents instruments du JWST et vérifieront que tout fonctionne selon les prévisions. Cette phase de test sera suivie d'une période d'observation nommée « Early Release Science » (ERS). Les programmes suivis durant cette phase permettront à la communauté scientifique de tirer parti des capacités maximales du satellite. Ces deux étapes seront ensuite suivies d'un deuxième cycle, partagé lui-même en deux parties : le temps garanti et le temps ouvert.

Temps garanti, temps ouvert : de quoi s'agit-il ?

Pierre-Olivier Lagage : Le temps garanti permet à toutes les équipes participantes de réaliser les observations qu'elles souhaitent sans remplir d'appel à projet pendant environ 500 heures. Le CEA est ainsi leader d'un des trois programmes d'observation prévus durant ce temps garanti. Centré sur l'étude des exoplanètes, il donnera la possibilité d'en apprendre plus sur ces planètes situées hors du Système solaire à travers deux méthodes d'investigation : la méthode des transits et l'utilisation de coronographes.

Le temps ouvert, qui débutera ensuite, permettra aux équipes de recherche du monde entier de proposer des programmes d'observation et d'utiliser les données recueillies.

Il y a quelques jours, la Nasa a communiqué sur les premières cibles du James-Webb. Un commentaire ?

Pierre-Olivier Lagage : Pour les équipes du JWST, c'est le signe que la préparation de l'exploitation scientifique du Webb a bel et bien commencé. Cette annonce fait suite à celle des programmes d'observation en temps garanti de juin dernier. Elle précède l'appel à propositions pour les observations générales de la première année de la vie scientifique du JWST qui est prévu à la fin du mois !

Pour ceux qui participent à la grande aventure du JWST, il est difficile de ne pas réagir avec émotion quand on voit l'engouement de la communauté scientifique et la qualité des programmes prévus et sélectionnés. Après tout, c'est pour cela que cet observatoire spatial existe !

Pour en savoir plus

Le télescope spatial James-Webb sera prêt pour 2018

Article de Rémy Decourt publié le 27/04/2017

Pour son futur observatoire spatial James-Webb, qui sera lancé en octobre 2018, la Nasa ne veut pas répéter les erreurs commises avec Hubble, parti dans l'espace avec un miroir déficient, qui avait dû être réparé en orbite. Une telle intervention sera impossible avec le JWST, installé à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Cette belle mécanique est soumise à des essais rigoureux qui viennent de se révéler très utiles : une attache du miroir était défectueuse.

L'observatoire James-Webb, alias JWST, qui doit succéder au télescope spatial Hubble en 2018, aurait pu ne pas déployer totalement son miroir en orbite ! Lors d'un test de vibrations réalisé en décembre 2016 (lire nos articles précédents) et destiné à simuler les conditions du lancement à bord d'une Ariane 5, un bruit suspect et des mesures anormales des accéléromètres avaient alerté les ingénieurs.

La Nasa a trouvé aujourd'hui ce qui clochait : un loquet mal serré en raison d'un défaut de fabrication. Ce verrou est un de ceux utilisés pour fixer les 18 segments du miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre. Il se compose de deux plaques dentées qui, lors de l'essai, se sont mal emboîtées. Les dents se sont décalées d'un ou deux millimètres, ce qui a suffi pour produire le son qui a surpris les ingénieurs.

Le miroir primaire de 6,5 mètres, composé de 18 unités. Pour l'instant, les différents éléments de l'observatoire (le miroir primaire, le bouclier thermique, le bus et la partie scientifique) sont testés séparément. Ils seront assemblés ensemble fin 2017. © Nasa, Desiree Stover

Léger retard pour l'assemblage du JWST, mais le calendrier est maintenu

Ce contretemps est sans conséquence sur la suite des opérations. Malgré le retard pris, le programme est toujours dans les délais et son lancement avec une Ariane 5, de l'Agence spatiale européenne, est toujours prévu en octobre 2018. Quant au surcoût engendré, il se chiffre à quelques milliers de dollars, sans trop de conséquences sur un budget total qui a déjà littéralement explosé, passant de quelque 4 milliards de dollars en 2005 à près de 9 milliards de dollars aujourd'hui.

Le programme dispose aujourd'hui d'une réserve de calendrier de près de 5 mois. Mais elle devrait s'amenuiser au fil des semaines pour faire face à d'éventuels autres problèmes que pourrait rencontrer l'observatoire lors de ses prochains essais.


JWST : le successeur du télescope spatial Hubble passe avec peine ses derniers tests

Article de Rémy Decourt publié le 28/12/2016

Petit contretemps sans conséquence sur le planning du James Webb Space Telescope, alias JWST, qui doit s'envoler en octobre 2018. Les essais mécaniques devaient s'assurer qu'Otis, la partie scientifique de cet observatoire spatial, résistera au lancement. Mais ils ne se sont pas déroulés comme prévu. Après vérifications, la Nasa a finalement donné son feu vert à la poursuite des essais. Une alerte sans gravité mais qui rappelle que chaque étape est essentielle au succès du programme.

Otis (Optical Telescope Element and Integrated Science) est une partie de l'observatoire spatial James Webb. Il se compose du télescope avec un miroir primaire segmenté de 6,5 mètres, d'un miroir secondaire ainsi que du module scientifique qui comprend les quatre instruments scientifiques, dont le spectromètre pour l’infrarouge proche NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) et le spectro-imageur Miri (Mid-Infrared Instrument) fournis par l'Europe au titre de sa participation. Avant de débuter son intégration aux autres éléments de l'observatoire, la Nasa a besoin de s'assurer que cette structure résistera au lancement, la phase de la mission qui engendrera le plus de contraintes sur le télescope.

Début décembre, au Centre des vols spatiaux Goddard (GSFC) de la Nasa, Otis a été soumis à des essais mécaniques (acoustiques et vibration), conçus pour simuler l'environnement sonore avec des vibrations équivalentes à celles que le JWST subira lors de son lancement à bord d'une Ariane 5. Ils ont notamment pour but de vérifier que le miroir pourra résister à cette épreuve. Mais les résultats ont provoqué un petit vent de panique. En cause des mesures hors des limite.

Les mesures de courbure, avant et après le test, destinées à vérifier que les 18 éléments octogonaux formant le miroir primaire sont restés parfaitement alignés, ont donné des valeurs conformes aux attentes. Mais les données enregistrées par les accéléromètres n'ont pas été celles attendues. La Nasa a dû, le 3 décembre, suspendre ces essais le temps de comprendre les causes des écarts constatés.

Après plusieurs jours d'analyse et d'inspection, c'est avec un ouf de soulagement que la Nasa a annoncé qu'Otis ne montrait aucun signe de dommage apparent. Dans un communiqué publié sur le site Web du JWST, la Nasa a déclaré que les ingénieurs avançaient dans la compréhension de l'incident. « Tous les examens visuels et ultrasoniques de la structure du télescope continuent de montrer qu'il est sain », est-il écrit. « Actuellement, l'équipe poursuit ses analyses dans le but d'avoir les conclusions et les plans pour la reprise des tests dès le mois de janvier 2017 », conclut, optimiste, la Nasa. L'agence spatiale américaine n'a toutefois pas fourni de détails supplémentaires sur la nature de l'anomalie, précisant seulement que depuis sa découverte, « deux essais de vibrations de faible intensité du télescope ont été réalisés avec succès ».

Un lancement toujours prévu en octobre 2018

Ce retard pris est pour l'instant sans conséquence sur le planning des activités du JWST à réaliser avant son lancement en octobre 2018. Depuis la réorganisation du programme en 2011 (à l'époque à laquelle le JWST était menacé d’annulation) les responsables de la mission disposent d'une marge de manœuvre conséquente.

La reprise des essais mécaniques est prévue pour le début de l'année 2017. Otis sera ensuite transféré au centre Johnson de la Nasa à Houston où auront lieu les derniers essais sous vide aux températures cryogéniques, pour tester la performance optique conjuguée du télescope et de ses quatre instruments. Mi-2017, il sera ensuite envoyé dans l'usine californienne de Northrop Grumman (le maître d'œuvre du programme) où seront intégrés à Otis les servitudes et le bouclier thermique. Il subira ensuite une nouvelle série d'essais avant d'être envoyé au Centre spatial de Kourou, en Guyane, en vue de son lancement en fin d'année 2018.


En images : le JWST, successeur du télescope spatial Hubble, est fini

Article de Xavier Demeersman publié le 05/11/2016

La construction du futur télescope spatial James Webb est terminée. Le miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre constitué de 18 segments hexagonaux est au complet. Place maintenant aux tests. Il faudra patienter jusqu'en octobre 2018 pour assister à son lancement et six mois de plus pour apprécier ses premières observations.

Une étape majeure vient d'être franchie dans la construction du télescope spatial James Webb (James Webb Space Telescope ou JWST) qui a débuté il y a déjà plus de 20 ans : la totalité des 18 segments hexagonaux constituant le miroir primaire ont été assemblés.

« Aujourd'hui, nous célébrons le fait que notre télescope est terminé, a déclaré l'astrophysicien John Mather, l'un des maîtres d'œuvre de ce télescope, lors de l'annonce officielle du 2 novembre organisée par l'administrateur de la Nasa, Charles Bolden. Et nous allons démontrer qu'il fonctionne. Nous avons accompli deux décennies d'innovation et de travail acharné, et voici le résultat : nous ouvrons un tout nouveau territoire d'astronomie. »

À présent, une série de tests attend le plus grand télescope spatial jamais construit. Sa surface collectrice est sept fois plus étendue que celle de son prédécesseur, Hubble. L'heure est aux dernières vérifications. Ses concepteurs n'ont pas le droit à l'erreur car il sera en effet impossible d'envoyer des humains réparer cet engin qui sera installé à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Pour l'instant, ils doivent encore vérifier l'absence de toute anomalie de courbure mais aussi que l'instrument supportera les secousses lors de son lancement par une Ariane 5, prévu en 2018.

« Les leçons que nous avons tirées d'Hubble [aberration sphérique de son miroir primaire découverte après sa mise en orbite, NDLR] sont que vous devez toujours mesurer au moins deux fois, a expliqué John Mather. Et si vous n'obtenez pas la même réponse, vous feriez mieux de comprendre pourquoi ! »

Le JWST pourrait voir un bourdon posé sur la Lune

Constitués de béryllium et recouverts d'or, les 18 miroirs individuels composant le miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre sont mobiles, ce qui permet ainsi de légers ajustements en cas de nécessité. L'ensemble couvrant 25 m2 est si lisse que s'il mesurait la taille des États-Unis, ses aspérités ne dépasseraient pas 2,5 cm.

Dans son fonctionnement optimum, six mois après son lancement (les équipes scientifiques et techniques les ont qualifiés de « six mois de terreur »), l'acuité du télescope rendu très sensible dans l'infrarouge permettra de distinguer un bourdon sur la Lune et la chaleur qu'il émet... Mais bien sûr, ce ne sera pas là son ambition. Au cours de ses 5 à 10 ans d'exploitation (car le télescope a besoin de carburant pour se positionner), il sera question surtout de sonder les confins de l'Univers, à plus de 13,5 milliards d'années-lumière... et aussi d'étudier l'atmosphère des autres mondes dans notre Galaxie.


Le JWST, successeur du télescope spatial Hubble, prend forme

Article de Rémy Decourt, paru le 05/12/2015

Plus grand qu'Hubble et Herschel, auxquels, d'une certaine manière, il succédera, le télescope spatial James-Webb apportera une acuité visuelle sans précédent. Sa construction vient de franchir une étape importante avec la pose du premier des dix-huit segments qui composeront le miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre.

Présenté comme le successeur d'Hubble, le James Webb Space Telescope (nommé en hommage à James Edwin Webb, administrateur de la Nasa entre 1961 et 1968), sera équipé d'un miroir trois fois plus grand que celui du célèbre télescope spatial. Son revêtement de surface permettra d'étudier le rayonnement infrarouge des astres les plus lointains de l'Univers, comme l'a fait avant lui le télescope spatial Herschel.

À trois ans de son lancement, en octobre 2018, la construction de l'observatoire James Webb bat son plein. Fin novembre, les équipes du Goddard Space Flight Center (GSFC) de la Nasa ont ainsi installé sur la monture de l'observatoire un des dix-huit segments en béryllium recouvert d'or qui compose son miroir principal.

Installation du premier des 18 segments du miroir principal du télescope spatial James Webb (JWST). © Nasa, Chris Gunn

Ce matériau a été choisi en pour ses propriétés thermiques et mécaniques à des températures cryogéniques de sorte que la forme définitive du miroir ne se matérialisera seulement lorsqu'il sera à - 223 °C (nécessaire pour observer dans l'infrarouge). Quant à la monture, à cette température, elle ne devrait pas bouger de plus de 38 nanomètres, soit environ un millième du diamètre d'un cheveu humain.

Le miroir principal complet fera 6,5 mètres de diamètre, soit deux fois et demie plus large que le télescope spatial Hubble, mais pèsera quasiment le même poids que lui, grâce à l'utilisation de béryllium, un des métaux les plus légers. Il surpasse également en taille l'observatoire Herschel de l'Esa, doté d'un miroir de 3,5 mètres d'un seul tenant, qui travaille également dans l'infrarouge.

En parallèle à la construction de l'observatoire, se poursuit une série d'essais sur des modèles de test (construits à l'identique sans les servitudes et les instruments évidemment) de façon à s'assurer que le modèle de vol fonctionnera en orbite selon les spécifications de la Nasa. À l'image, essais du JWST sur sa capacité à fonctionner et à observer dans l'infrarouge. © Nasa, Chris Gunn

Aucun droit à l'erreur sur le JWST

De façon à éviter toute anomalie de conception ou de polissage des miroirs, comme cela avait été, hélas, le cas avec le télescope spatial Hubble, qui souffrait d'une aberration sphérique, la Nasa s'est astreinte à plusieurs essais de vérification indépendants. Ils sont réalisés par Ball Aerospace (maître d'œuvre du programme) des centres Goddard et Johnson et de Tinsley Labs qui utiliseront chacun des méthodes différentes.

Alors que le problème d'Hubble avait été corrigé en orbite, lors de la première mission de maintenance, il ne sera pas possible dans le cas du JWST d'envoyer un équipage de secours, bien que cela avait été un temps étudié (un port d'amarrage pour Orion avait été envisagé). En effet, à la différence d'Hubble, qui tourne à 565 kilomètres d'altitude sur une orbite inclinée à 28,5°, James-Webb sera posté sur le point de Lagrange numéro 2 (L2) du système Terre-Soleil, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre et restera donc inaccessible.

Il sera lancé en octobre 2018 par un lanceur Ariane 5 depuis le Centre spatial guyanais.

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