James Webb Space Telescope, l’observatoire spatial XXL

Le James Webb Space Telescope (JWST) va sans doute révolutionner l’astrophysique dans les années à venir à l’instar de Gaia, Hubble, SPitzer, Planck et bien d’autres selon leurs domaines de recherches. Mais le JWST c’est aussi le domaine des superlatifs : taille impressionnante, objectifs ambitieux et coût hors norme.

Dans cet article, je vous détaille la mission et la technologie embarquée. Pour les détails du lancement et ce qui attend le JWST après le décollage, c’est dans cet article : Lancement réussi pour le télescope James Webb et après ?

Une coopération NASA / ESA / ASC

Le télescope spatial porte le nom de James E. Webb (1906-1992), le deuxième administrateur de la NASA.

James Webb est surtout connu pour avoir dirigé les programmes d’exploration Apollo qui ont fait atterrir les premiers humains sur la Lune. Il a également lancé un vigoureux programme de sciences spatiales qui a été responsable de plus de 75 lancements au cours de son mandat, y compris le premier vaisseau spatial américain d’exploration interplanétaire.

Le JWST est le fruit d’une collaboration internationale entre la NASA, l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (ASC).

Plus de 10000 personnes ont travaillé sur le télescope.

La maîtrise d’oeuvre est sous la responsabilité du NASA Goddard Space Flight Center avec Northrop Grumman comme intégrateur du système complet.

En échange des contributions techniques, l’ESA et l’ASC obtiennent des temps d’observation sur le JWST pour les astronomes de ces pays.

Objectifs de la mission

JWST observera la lumière infrarouge de l’espace avec une sensibilité sans précédent. Les astronomes pourront ainsi scruter l’intérieur des nébuleuses et observer la formation d’étoiles et de planètes qui, autrement, nous seraient invisibles.

Les systèmes planétaires en formation, ou « disques protoplanétaires », contiennent des poussières qui bloquent la lumière visible et qui peuvent être étudiés uniquement à l’aide d’instruments comme ceux du télescope James Webb. En effet, vu que sa longueur d’onde est plus grande que celle du spectre visible, l’infrarouge peut pénétrer plus facilement les nuages de poussière.

Certains astres comme les planètes, les étoiles rouges et les naines brunes sont trop froids pour émettre beaucoup de lumière visible, mais sont très lumineux dans l’infrarouge. Le télescope spatial Webb sera aussi idéal pour étudier les naines brunes et approfondir nos connaissances sur leur nature.

Une naine brune est un astre étrange qui peut être considéré comme une « étoile ratée » : elle n’est pas assez massive pour devenir une étoile, mais est plus lourde qu’une planète. (Sources : NASA/ESA/A. Simon, GSFC de la NASA, ASC.)

L’Univers est en expansion, et donc plus nous regardons loin, plus les objets s’éloignent de nous rapidement, déplaçant la lumière vers le rouge. Le décalage vers le rouge signifie que la lumière émise sous forme de lumière ultraviolette ou visible est de plus en plus décalée vers des longueurs d’onde plus rouges, dans la partie infrarouge proche et moyen IR du spectre électromagnétique pour des décalages vers le rouge très élevés. Par conséquent, pour étudier la première formation d’étoiles et de galaxies dans l’Univers, nous devons observer la lumière infrarouge et utiliser un télescope et des instruments optimisés pour cette lumière comme Webb.

Webb par sa grande précision observera des galaxies lointaines, telles qu’elles étaient à l’origine de l’Univers il y a 13,8 milliards d’années, telle une machine à remonter le temps !

Illustration des observations attendues du télescope spatial James Webb (Webb) dans le proche infrarouge et le moyen infrarouge (crédit ESA)

Le successeur de Hubble ?

Souvent annoncé comme le successeur du télescope spatial Hubble, le Webb et Hubble sont différents, mais ils se complètent sur plusieurs points.

JWST est 100 fois plus puissant que Hubble, ce qui en fait le télescope le plus grand et le plus puissant jamais lancé dans l’espace.

Alors que Hubble se concentrait surtout sur la lumière visible, les quatre instruments scientifiques du télescope Webb ont été conçus pour capter la lumière infrarouge en particulier. Ainsi le télescope spatial James Webb aidera les chercheurs à étudier de nombreux objets spatiaux et phénomènes cosmiques que Hubble ne peut pas observer.

Les différents télescopes peuvent observer plusieurs longueurs d’onde (types de lumière) du spectre électromagnétique. Hubble peut voir la lumière visible, et le télescope Webb sera capable de capter la lumière infrarouge, imperceptible à l’œil. (Sources : NASA/J. Olmsted, STScI, Agence spatiale canadienne.)

Il est prévu que les deux missions soient utilisées en parallèle pour faire des découvertes scientifiques, malgré l’âge avancé de Hubble qui a désormais plus de 30 ans !

Les Piliers de la création dans la nébuleuse de l’Aigle, observés avec le télescope spatial Hubble dans la lumière visible (à gauche) et dans l’infrarouge (à droite). La lumière infrarouge permet aux scientifiques de pénétrer la poussière et d’observer des parties autrement invisibles de notre Univers (Source : NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)).

Une orbite éloignée

Comme l’atmosphère terrestre ne permet pas d’observations dans l’infrarouge, et que la Terre et la Lune sont elles-mêmes très lumineuses dans l’infrarouge, donc des sources de pollution lumineuse nuisible aux observations avec Webb, il a été décidé d’envoyer le télescope Webb beaucoup plus loin de la Terre que Hubble, situé à seulement 550 kilomètres.

Infographie sur le voyage de Webb jusqu’à l’orbite L2 (crédit ESA)

Le JWST sera placé autour du point de Lagrange L2, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre (4 fois plus loin que la Lune), dans la même région que Gaia.

C’est une région intéressante car les satellites restent au même endroit du ciel du point de vue de la Terre, et donc les communications peuvent se faire sans interruption. De plus, les instruments de Webb seront exposés au froid de l’espace et non pas à la chaleur du Soleil grâce au pare-soleil [voir plus loin].


Le JWST en détails

L’observatoire JWST est constitué de 4 éléments principaux :

  • Le module de service (ou Spacecraft Bus sur le schéma ci-après) qui fournit au télescope l’alimentation électrique, le contrôle d’attitude, le contrôle thermique, la gestion des commandes et des données, les services de communication et la propulsion.
  • Le pare-soleil (sunshield) qui permet d’avoir 2 zones thermiques différentes entre la partie « service » et la partie scientifique.
  • L’Optical Telescope Element OTE (pour élément de télescope optique), est un ensemble de miroirs qui collecte et focalise la lumière pour JWST
  • L’Integrated Science Instrument Module  ISIM (pour module d’instruments scientifiques intégrés) qui comprend les différents instruments scientifiques.

Crédit image : NASA

Le module de service : propulsion, électricité, navigation et communication

Le module de service est équipé d’un seul panneau solaire qui fournira 2 000 W d’énergie électrique pour la durée de vie de la mission.

Le système de propulsion fournit les moyens de corriger l’orbite du télescope, de contrôler l’attitude de l’observatoire dans certains modes et de décharger la roue de réaction. Près de 300 kg d’ergols ont été chargés à bord du JWSt afin d’assurer au moins 10 ans d’opérations scientifiques.

Le sous-système de contrôle d’attitude assure la détermination et le contrôle de l’attitude pour toutes les phases et tous les modes de mission de l’observatoire. L’ACS s’interface avec le capteur de guidage fin (FGS), situé dans le module ISIM, et avec le miroir de guidage fin (FSM) du télescope pour un contrôle de pointage précis pendant les observations.

2 antennes équipent les JWST : une antenne à gain élevé (HGA) en bande Ka de 0,6 m ainsi qu’une antenne à gain moyen (MGA) en bande S de 0,2 m. Toutes les communications sont acheminées via le réseau Deep Space de la NASA

Il y a aussi le sous-système de traitement des données (traitement des télécommandes envoyées depuis la Terre du vaisseau spatial, enregistrement des télémétries et routage vers le sous-système de communication), un enregistreur qui fournit au moins 65 Go de stockage pour les données scientifiques.

Dans les installations de Northrop Grumman Aerospace Systems à Redondo Beach, en Californie, des techniciens d’intégration et de test travaillent sur une maquette du bus du James Webb Space Telescope, testant l’assemblage de ses pièces. Date : mai 2014. Crédit : Northrop Grumman.

Le pare-soleil : isoler le télescope et les instruments scientifiques

Pour que JWST puisse détecter la lumière infrarouge des objets faibles, le télescope et les instruments scientifiques doivent être refroidis à ~ 40 K (soit environ -233°C). Ce refroidissement est effectué passivement par un pare-soleil gigantesque.

Le pare-soleil est un système en forme de losange de 5 couches d’un film polyimide enduit d’aluminium appelé kapton. Les dimensions de chaque couche sont d’environ 21 m de long et 14 m de large. Chaque couche successive du pare-soleil est plus froide que celle ci-dessous. La chaleur rayonne entre les couches.

Le pare-soleil sépare l’observatoire en un côté chaud et exposé au soleil (les modèles thermiques montrent que la température maximale de la couche la plus externe est de 383K ou 110°C), et un côté froid (avec la couche la plus froide ayant une température minimale modélisée de 36K ou environ -237°C).  Le pare-soleil à cinq couches empêche la lumière du soleil d’interférer avec les instruments sensibles du télescope (crédit : Northrop Grumman)

Son objectif est d’isoler le télescope et les instruments scientifiques de 99,9999 % de l’énergie du Soleil, de la Terre, de la Lune et du module de service qui lui restera face au Soleil et donc atteindra une température d’environ 85°C. Seul l’instrument MIRI [voir ci-après] aura besoin d’un système de refroidissement supplémentaire.

Le télescope OTE

L’élément de télescope optique (OTE) de JWST se compose des miroirs de direction primaire, secondaire, tertiaire et fin.

Les miroirs sont fabriqués en béryllium, qui est à la fois léger et très stable aux variations de température dans la plage de 30 à 80 K. Les miroirs sont recouverts d’une fine couche d’or de 28 μm pour fournir une réflectivité élevée de 0,6. Tous les miroirs présentent des bords opaques pour minimiser la lumière parasite.

Un miroir primaire gigantesque

Le miroir primaire est composé de 18 segments hexagonaux, chacun d’environ 1,4 m de diamètre, qui, lorsqu’ils sont correctement mis en phase ensemble, agissent comme un seul miroir d’environ 6,5 mètres de diamètre.

Chaque segment de miroir primaire possède des actionneurs à l’arrière qui permettent de contrôler les 6 degrés de liberté spatiale avec une précision meilleure que 10 nm. Un 7e actionneur sur chaque segment contrôle son rayon de courbure, ce qui permet de corriger les légères variations de fabrication pour garantir que les distances focales des 18 segments sont très proches.

Les segments de miroir primaire sont montés sur une structure de fond de panier en graphite composite conçue pour être très stable.

Ce miroir collectera plus de six fois plus de lumière que le miroir du télescope spatial Hubble.

Le miroir secondaire

Le miroir secondaire est un miroir circulaire convexe de 0,74 m de diamètre. Un jeu de 6 actionneurs permet le contrôle de la position et de l’orientation du miroir, similaire au contrôle des segments primaires. Le primaire et le secondaire apportent d’abord la lumière à un foyer initial de Cassegrain juste avant l’ouverture d’entrée du système optique arrière, où un déflecteur fixe aide également à bloquer la lumière parasite.

Image : Les ingénieurs effectuent des inspections du miroir secondaire du Webb à la suite d’un test de déploiement récemment réussi (crédits : Northrop Grumman)

L’optique arrière

Le système optique arrière contient un miroir tertiaire fixe et un FSM (Fine Sterring Mirror) mobile. Le miroir tertiaire est un miroir asphérique concave de forme allongée d’environ 0,73 × 0,52 m. Il ré-image l’ouverture principale sur le FSM, tout en annulant les aberrations pour fournir une excellente qualité d’image sur tout le champ de vision. 

Le FSM est un miroir plat de haute qualité utilisé pour stabiliser l’image lors d’observations scientifiques. Au cours des observations, il sera ajusté en continu dans les inclinaisons des axes X et Y en fonction des mesures effectuées par le système de contrôle d’attitude dans le cadre de la boucle de contrôle de guidage fin. 

La pupille de sortie OTE est l’image du primaire qui se reflète sur le miroir de direction fin vers le plan focal et les instruments ISIM.

(Image : crédit STScI)

Un déploiement sur orbite et un long alignement

Pour le lancement, deux « ailes », chacune supportant trois segments du miroir primaire sont repliées. Elles se déploieront une fois en orbite. Le miroir secondaire est soutenu par une structure de support de trépied déployable qui se verrouille également en position finale lors de la phase de croisière vers la position L2.

Puis les miroirs seront alignés un à un de façon extrêmement précise. Ce processus commencera environ 40 jours après le lancement et devrait prendre environ trois mois.

Le module scientifique ISIM

Les 4 instruments scientifiques ont été intégrés dans un sous-ensemble baptisé ISIM (Integrated Science Instrument Module) qui comprend également le FSG [voir ci-après], l’ordinateur de traitement des données et des équipements électroniques qui contrôlent les détecteurs et les mécanismes des instruments, maintiennent l’environnement thermique et assurent le traitement des commandes et des données.

Le JWST ISIM en préparation finale pour les tests de vide thermique à la NASA/GSFC, au printemps 2016 (crédit STScI)

FGS pour le pointage des cibles du JWST

Le FGS pour Fine Guide Sensor, de fourniture canadienne, permettra au télescope Webb

  • d’établir sa position
  • de déterminer la position de ces cibles célestes
  • de suivre des cibles en mouvement
  • de demeurer stable et de pointer vers une cible céleste particulière avec une extrême précision.

Le FGS jouera un rôle essentiel dans toutes les observations scientifiques faites avec le télescope puisqu’il compensera toute vibration qui empêcherait d’obtenir des images claires et détaillées des corps célestes.

NIRSpec

Fourni par l’ESA, l’instrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) est un spectrographe multi-objets capable de mesurer simultanément le spectre proche infrarouge d’au moins 100 objets, tels que les étoiles et les galaxies, avec diverses résolutions spectrales jusqu’à 0,3 nanomètre. Les observations sont effectuées sur la gamme de longueurs d’onde de 0,6 à 5,0 micromètres.
NIRSpec sera capable de capturer les spectres de généralement 60 à 200 galaxies à la fois. NIRSpec pourra également étudier l’atmosphère des exoplanètes. Il recherchera notamment la signature de molécules clés comme l’eau.

NIRISS

Fourni par l’Agence Spatiale Canadienne, NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph – imageur et spectrographe sans fente dans le proche infrarouge) captera le spectre de lointains objets célestes grâce à une technique appelée spectroscopie de transit. Les scientifiques pourront déterminer la composition de l’atmosphère des exoplanètes, observer des galaxies lointaines et examiner des objets très près l’un de l’autre.

NIRISS possède une caméra qui sera utilisable en parallèle avec la caméra principale de NIRCam pour fournir des capacités d’imagerie supplémentaires à Webb. Il dispose d’un spectrographe sans fente, où toute la lumière tombant sur la caméra sera dispersée. NIRISS propose également un mode spectroscopique spécialement conçu pour la caractérisation des exoplanètes à l’aide de la spectroscopie de transit, une technique qui permet à Webb d’étudier la composition chimique de l’atmosphère d’une exoplanète lorsqu’elle passe devant son étoile hôte.

NIRCam

La caméra proche infrarouge (NIRCam) fournie par la NASA est un imageur qui couvrira la plage de longueur d’onde infrarouge de 0,6 à 5 microns. NIRCam détectera la lumière provenant des premières étoiles et galaxies en cours de formation, de la population d’étoiles dans les galaxies voisines, ainsi que des jeunes étoiles des objets de la Voie lactée et de la ceinture de Kuiper. NIRCam est équipé de coronographes, des instruments qui permettent aux astronomes de prendre des photos d’objets très faibles autour d’un objet central lumineux, comme des systèmes stellaires. Les coronographes de NIRCam fonctionnent en bloquant la lumière d’un objet plus brillant, ce qui permet de voir l’objet plus faible à proximité. Avec les coronographes, les astronomes espèrent déterminer les caractéristiques des planètes en orbite autour d’étoiles proches.

Image : Le module optique de l’imageur principal du télescope spatial James Webb, la caméra proche infrarouge NIRCam, est arrivé au Goddard Space Flight Center de la NASA le 27 juillet 2013 (crédit ASA/Chris Gunn)

MIRI

MIRI (Mid InfraRed Instrument), l’instrument infrarouge moyen, fourni par l’Agence spatiale européenne et le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, est le seul instrument du télescope capable de fonctionner dans les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen et permettra l’observation de notre propre Système Solaire et d’autres systèmes planétaires pour l’étude de l’Univers primitif.
MIRI est un instrument polyvalent offrant un large éventail de modes : imagerie, coronagraphie et différentes saveurs de spectroscopie. Pour observer le cosmos dans l’infrarouge moyen (et en particulier jusqu’à des longueurs d’onde allant jusqu’à 28 m), MIRI doit être refroidi à une température de -266°C, soit plus de 30 degrés de moins que les autres instruments de l’observatoire Webb. MIRI est donc doté d’un « cryorefroidisseur » , un réfrigérateur sophistiqué spatial équipé de pompes et de compresseurs répartis dans l’ensemble du cryorefroidisseur pour le refroidir et maintenir sa température à un niveau optimal.

L’imageur MIRIM à bord de MIRI est de conception française (CNES, CEA, CNRS, Observatoire de Paris, universités Paris Diderot, UPMC, Paris-Sud et Aix-Marseille) – Image CEA

Illustration des 4 instruments scientifiques sur le JWST (crédit ESA/CETTE)

Le coût du projet

Comme de nombreux médias parlent du « télescope de 10 milliards de dollars », faisons le point sur les raisons de cette somme.

En 2003, le maître d’oeuvre principal pour la construction du JWST est annoncé par la NASA. Ce sera TRW, désormais devenu Northrop Grumman. Le lancement est annoncé pour 2010.

Le projet passe la revue de design de la mission (MCDR) en avril 2010 avec une date de lancement annoncée pour 2016. Le coût de l’observatoire est passé alors d’une estimation initiale de 1,6 milliard de dollars à plus de 6,5 milliards de dollars. Le Webb est un objet plus complexe que prévu.

En juillet 2011, le projet est sauvé de l’annulation demandée par des politiciens américains par l’octroi de subventions supplémentaires du gouvernement américain aux dépends d’autres programmes scientifiques de la NASA, et aussi l’engagement renouvelé des 2 autres agences spatiales, dont la fourniture du lanceur par l’ESA. Le lancement est en ce temps-là prévu pour 2018.

Mais en raison de nombreuses difficultés techniques lors de l’intégration et des tests, le lancement est sans cesse repoussé. La crise sanitaire du Covid-19 en 2020 et des difficultés sur le lanceur notamment pour l’adaptation de la coiffe pour le JWST reculent la date de lancement à fin 2021.

Le coût final du projet est estimé à 9,7 milliards de dollars. Cela comprend les phases de développement et de construction du Webb dont les retards successifs entraînent forcément des coûts supplémentaires, mais aussi la phase d’exploitation de la mission prévue sur 10 ans.

Le JWST aura coûté environ 10 milliards de dollars répartis sur une vingtaine d’années. C’est environ le prix de vente de 30 avions A350, ou 4 fois moins que le programme de développement et de fabrication des avions Rafale français (hors exportation donc).

Alors la science coûte-t-elle cher ?

Sources : ASC, ESA, NASA et STScI

Photo d’illustration : crédit NASA/Chris Gunn

2 réflexions sur “James Webb Space Telescope, l’observatoire spatial XXL

  • 30 décembre 2021 à 12 h 57 min
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    NB : il faudrait surtout comparer le coût (et les bénéfices attendus) de la « conquête spatiale », autrement dit de l’exploration de l’espace avec ceux (coûts et bénéfices attendus) de l’alcool, du tabac, du cannabis et autres drogues de toutes sortes.

    ***

    Le prochain télescope spatial devrait être le chinois Xuntian (Croiseur des Cieux) dont le lancement est prévu pour 2024 (s’il n’y a pas une nouvelle guerre mondiale d’ici là…). Il disposera d’un miroir de 2 m de diamètre.

    ***

    Je viens d’apprendre le décès de Michael R. U. Clifford le 28 décembre. Il avait la maladie de Parkinson depuis 1994. Il est le 108e astronaute (ou cosmonaute) à décéder, et le 62e Américain, parmi ceux (579 à ce jour) qui ont effectué des vols orbitaux.

    ***

    Toujours pas de « post » sur le nouveau groupe de la NASA, le 23e ? Ce qui m’étonne le plus, c’est qu’il n’y a eu que 10 sélectionnés sur plus de 12 000 candidats !

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  • 9 janvier 2022 à 14 h 06 min
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    je me répète c’est fabuleux le génie humain na pas de limite quel progrès !!!!!!!,depuis l’age de pierre merci de nous faire vivre cette grande aventure passionnante.

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