Télescope spatial James-Webb : qu'est-ce que c'est ?

L'observatoire spatial James-Webb (JWST) est un télescope spatial développé en coopération entre la NasaNasa et les agences spatiales canadienne et européenne dont la mise en service est prévue en juin 2022 après un lancement réussi à bord d'une Ariane 5Ariane 5 en décembre 2021. À l'origine, il était destiné à remplacer le télescope Hubble. Mais l'exceptionnelle longévité de ce dernier leur permettra de fonctionner ensemble lors de campagnes d'observation. Comme Hubble en son temps, James-Webb va nous permettre de voir l'UniversUnivers de façon inédite. Initialement conçu pour fonctionner au moins cinq ans, le JWST devrait fonctionner pendant au moins 10 ans grâce au lancement quasi parfait d'Ariane 5.

Voir la lumière des premières étoiles qui se sont formées peu après le Big Bang

Contrairement à Hubble qui effectue des observations dans la lumière visible, le spectrespectre ultraviolet et le proche infrarouge, James-Webb fonctionne uniquement dans les gammes d'ondes du proche infrarougeinfrarouge et de l'infrarouge moyen. Dans ces domaines, il sera capable de voir les premiers objets détectables de l'Univers, ceux qui se sont formés après les âges sombres ou obscurs, une période de l'histoire de l'Univers qui commence après la diffusion du rayonnement cosmique, lorsqu'il apparaissait chaud et opaque, et avant la formation des premières structures lumineuses constituées d'étoiles et de galaxiesgalaxies à partir de 200 millions d'années après le Big Bang.

Comparaison des miroirs primaires de Hubble et du télescope James-Webb. © Nasa

Quatre instruments scientifiques à la pointe de la technologie

James-Webb embarque une série de quatre instruments, conçus pour observer les objets les plus lointains, des exoplanètes avec une précision inédite, des phénomènes très peu étudiés et permettre des avancées majeures dans de nombreux domaines de l'astrophysiqueastrophysique et de l'astronomie. Ces quatre instruments sont logés à l'intérieur de l'ISIM qui abrite aussi de nombreux sous-systèmes. Les instruments MIRI et NIRSpec sont fournis par l'Europe au titre de sa participation au projet :

• NIRCam (Near-InfraRed Camera) : caméra grand champ fonctionnant dans la gamme de longueurs d'onde proche infrarouge de 0,6 à 5 µm ;
• NIRSpec (Near-InfraRed Sprectrometer) : spectromètrespectromètre multi-objet fonctionnant dans la gamme de longueurs d'onde proche infrarouge de 1 à 5 µm,
• MIRI (Mid InfraRed Instrument) : caméra et spectromètre fonctionnant dans la gamme de longueurs d'onde proche infrarouge de 5 à 28 µm.
• NIRISS : ensemble de quatre instruments avec deux spectrographesspectrographes grand champ avec grisme et objet-unique avec un autre grisme ainsi qu'un interféromètre par masquage non redondant de pupille entre 3,8 et 4,8 micronsmicrons et un imageur avec filtres à larges bandes passantesbandes passantes entre 1 et 5 microns dans un champ de 2,2' x 2,2'.

Cet observatoire spatial a pour principales caractéristiques technologiques d'être doté du plus grand miroir jamais lancé dans l'espace, d'utiliser un bouclier thermique aussi grand qu'un court de tennis et d'évoluer à 1,5 million de kilomètres de la Terre.

Le plus grand miroir jamais envoyé dans l’espace

Le miroir primaire de 6,5 mètres de James-Webb est le plus grand jamais envoyé dans l'espace. Il est composé de 18 segments hexagonaux constitués de bérylliumbéryllium et recouverts d'or qui, une fois dans l'espace, se déplieront et s'aligneront avec une précision de 1/10.000 pour former un seul et unique miroir primaire d'une qualité remarquable. Par rapport aux 2,4 mètres de Hubble, le télescopetélescope de l'observatoire James-Webb aura une surface collectrice sept fois plus grande. Cependant, avec une réclusion de 0,1 seconde d'arc, ses images seront aussi nettes que celles d'Hubble, mais bien plus sensibles, ce qui lui permettra d'imager des objets impossibles à voir pour Hubble, notamment des exoplanètes et des détails à l'intérieur de certaines galaxies.

Le choix d'un miroir plié au moment de son lancement s'explique par le fait qu'il est impossible de lancer d'un seul tenant un miroir d'une aussi grande taille. À ce jour, aucun lanceur en service n'a une coiffe capable d'embarquer une charge utile de plus de 6,5 mètres de diamètre. Le plus grand miroir lancé d'un seul tenant a été celui d'Herschel en 2009 (3,5 mètres).

L'immense miroir du James Webb Space Telescope ne rentre pas dans une fusée. Il faut le replier, puis le déplier une fois dans l'espace. © Chris Gunn, Nasa

Un bouclier thermique aussi grand qu’un court de tennis

Étant donné que le JWST est destiné à faire des observations dans l'infrarouge uniquement, et non dans l'ultraviolet et le visible comme Hubble, il est nécessaire que sa température soit la plus basse possible pour limiter le bruit thermique, garantir le bon fonctionnement des instruments et aussi réduire les variations thermiques. C'est pourquoi le télescope et ses instruments seront maintenus à une température permanente de fonctionnement de -253 °C !

Malgré son éloignement au SoleilSoleil et bien que situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre, le JWST a besoin d'un bouclier thermique pour être refroidi à la température de - 253 °C.

La taille de ce bouclier laisse songeur. Long de 22 mètres et large de 10 mètres, il est quasiment aussi grand qu'un court de tennis ! En raison de sa taille, le bouclier a été lancé plié et s'est déplié dans l'espace. En effet, à la différence des boucliers traditionnels, celui du James-Webb a comme particularité d'être constitué de cinq couches en Kapton (un polyimide). D'une superficie d'environ 150 mètres carrés, chaque couche offre une protection thermique dans une large gamme de températures (de - 237 à + 377 degrés). Chaque couche joue le rôle de dissipateur de chaleurchaleur, de telle sorte que la différence de température entre la couche la plus chaude et la plus froide atteint 240 °C ! Les modèles thermiques montrent que la température maximale de la couche la plus externe est de 109 degrés et que le côté froid, celui placé à l'espace profond, sera exposé à une température de l'ordre de - 237,5 degrés centigrades.

Le télescope spatial James-Webb avec son bouclier thermique déployé. © Nasa, Chris Gunn

James-Webb sera situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre

À la différence d'Hubble, positionné à quelque 570 kilomètres de la Terre, James-Webb est situé à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre (quatre fois plus que la distance de la Terre à la Lune) au point de Lagrange 2. Une distance qui rend impossible la planification d'une mission de réparation ou d'entretien, comme les cinq qui ont rythmé la vie d'Hubble et qui ont permis de corriger son défaut d'aberration optique ainsi que le remplacement de nombreux équipements et instruments.

L'observatoire James-Webb plié en forme de rectangle pour tenir dans la coiffe d'Ariane 5. © Nasa, Chris Gunn

D’un premier atelier en 1989 à son lancement en 2021, retour sur les principales dates qui ont marqué l’histoire du JWST

1989 : le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, dans le Maryland, et la Nasa organisent l'atelier Next Generation Space Telescope, où ingénieurs et astronomes débattent des capacités scientifiques et techniques d'un observatoire spatial qui succéderait au télescope spatial Hubble.

1996 : première recommandation formelle que ce futur NGST devrait fonctionner dans les longueurs d'onde de l'infrarouge et être doté d'un miroir primaire de plus de quatre mètres.

2002 : la Nasa sélectionne les consortiums en charge de la construction des instruments et du satellite.

2004 : la constructionconstruction de l'observatoire James-Webb débute.

2005 : James-Webb sera lancé par Ariane 5. Le lanceur européen a été fourni par l'Agence spatiale européenne (ESAESA) dans le cadre de sa participation au programme James-Webb. Outre les services de lancement, l'ESA contribue à deux des quatre instruments scientifiques et fournit le personnel nécessaire aux opérations de la mission.

2011 : les 18 segments du miroir primaire sont construits et leur conformité aux spécifications requises prouvée par des tests. Cette année est aussi celle ou le programme est menacé d'abandon par le Congrès américain en raison de l'explosion de son coût passé d'un petit milliard à plus de six milliards en 2011. Son coût est d'environ 10 milliards de dollars aujourd'hui.

2013 : début de la construction du bouclier thermique. Une nécessité absolue pour garantir le bon fonctionnement des instruments que ce soient les capteurs ou les optiques qui devront rester extrêmement froids. La taille de ce bouclier laisse songeur. Long de 22 mètres et large de 10 mètres, il est quasiment aussi grand qu'un court de tennis ! En raison de sa taille, le bouclier sera lancé plié et se dépliera dans l'espace. Le défi a donc été de concevoir un miroir plié au lancement, puis déployé en orbiteorbite.

2017 : début des opérations d'assemblage et d'intégration du satellite avec ses charges utiles et ses servitudes. L'observatoire James-Webb prend forme.

2019 : l'observatoire est entièrement assemblé. Début des tests environnementaux, électriques, fonctionnels et de communication qui s'étaleront jusqu'à ce que Webb soit plié une toute dernière fois en vue de son lancement.

2021 : JWST est lancé le 25 décembre à bord d'une Ariane 5.

Été 2022 : mise en service de l'observatoire James-Webb.