Après des années de retard et de frustration, le télescope spatial James Webb est prêt à être lancé.
Cet automne, si la date de lancement n’est pas repoussée, le télescope spatial James Webb de la NASA – le plus puissant, le plus coûteux et le plus attendu de tous les temps pour scruter l’univers – décollera de la Guyane française à bord d’une fusée Ariane 5. Après 26 ans de conception et d’innombrables retards, le JWST, comme les astronomes l’appellent généralement, éclipsera le télescope spatial Hubble en termes de taille, de résolution et de capacité à voir des objets très peu lumineux. Contrairement à Hubble, qui fonctionne principalement dans le spectre visible, Webb utilisera des caméras et des spectrographes réglés sur les longueurs d’onde de l’infrarouge proche et moyen pour observer certains des objets les plus anciens du cosmos, avec une sensibilité 1 000 fois supérieure à celle des anciens télescopes spatiaux infrarouges. Les miroirs brillants recouverts d’or du JWST collecteront les photons qui ont voyagé vers nous depuis quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.
Le JWST est-il remarquable ? Indéniablement. Est-il nécessaire ? Les spécialistes de l’espace répondraient par l’affirmative. Le Webb permettra de découvrir des mystères sur nos origines cosmiques qui dépassent les capacités du Hubble, vieux de 31 ans, ou de tout autre observatoire, dans l’espace ou au sol. Le nouveau télescope est d’une conception totalement nouvelle. Pour empêcher la lumière chaude du soleil de frapper ses détecteurs infrarouges super froids, le Webb est doté d’un pare-soleil aussi grand qu’un court de tennis, composé de cinq couches de film Kapton, chacune n’étant pas plus épaisse qu’un sac en plastique. Avec d’autres types de blindage, le bouclier contribuera également à la protection contre les impacts de météorites. Le gigantesque miroir primaire du télescope, d’un diamètre de 6,5 mètres (celui de Hubble ne mesurait que 2,4 mètres), est une mosaïque de 18 segments hexagonaux étroitement ajustés, et l’ensemble doit être replié comme les feuilles d’une table de salle à manger pour entrer dans le cône de nez de la fusée Ariane pour le lancement.
Au cours du voyage de près d’un mois qui le mènera jusqu’à sa demeure dans l’espace, le télescope déploiera et dépliera ses nombreux éléments dans une séquence d’une complexité à couper le souffle. Après avoir déballé et déployé les panneaux solaires, les antennes, les perches, les radiateurs, les miroirs et le pare-soleil lui-même (qui se déploie comme un parasol à plusieurs couches), le télescope sera refroidi à des températures avoisinant les moins 400 degrés Fahrenheit, tout en restant éloigné du soleil, de la lune et de la Terre afin de conserver sa sensibilité aux infrarouges.
Sa destination finale est une orbite stable autour du point de Lagrange 2, ou L2, à un million de kilomètres de la Terre – un point d’équilibre qui équilibre les forces gravitationnelles du soleil, de la Terre et de la lune de sorte que le télescope n’a besoin que d’un minimum de carburant pour les corrections d’orbite. Contrairement à Hubble, le JWST n’est pas conçu pour être mis à niveau. Hubble a été sauvé de l’ignominie en 1993 par une équipe d’astronautes qui a corrigé le miroir déformé avec lequel le télescope avait été lancé trois ans auparavant. Il n’y aura pas de tel sauvetage si quelque chose se passe mal avec Webb ; l’observatoire doit fonctionner parfaitement. Pour s’en assurer, la NASA a dépensé beaucoup de temps, d’argent et de stress, car les ingénieurs ont testé, retesté et essayé d’intégrer suffisamment de redondance – “deux de chaque chose” – pour éviter toute défaillance.
“Il s’agit de l’observatoire et de l’engin spatial le plus complexe jamais entrepris “, a déclaré Klaus Pontoppidan, astrochimiste et scientifique de projet pour les opérations scientifiques du JWST au Space Telescope Science Institute de Baltimore. Tout comme pour Hubble, l’institut fait office de centre nerveux du télescope, produisant des logiciels pour les systèmes de contrôle au sol, coordonnant le déploiement initial de l’observatoire, programmant les observations scientifiques pour les astronomes du monde entier, et recevant et archivant toutes les données de Webb. “J’ai confiance dans les personnes qui s’occupent des déploiements et du matériel”, a-t-il déclaré, “et je pense que cela va bien se passer”.
John Mather, astrophysicien senior et scientifique du projet Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA, situé à proximité, a commencé à travailler sur le projet – alors appelé Next Generation Space Telescope – en 1995. (Le nom a ensuite été modifié pour rendre hommage à l’administrateur qui a guidé la NASA lors des alunissages d’Apollo dans les années 1960. Après la diffusion, en mai dernier, d’une pétition accusant Webb d’être impliqué dans une purge d’employés gouvernementaux LGBTQ dans les années 1950, le nom pourrait changer à nouveau). Lorsqu’il a commencé à travailler sur le projet Webb, M. Mather venait de mettre un terme à son rôle clé dans le projet Cosmic Background Explorer (COBE), qui a mesuré avec précision la lueur primordiale du rayonnement micro-ondes de l’univers et lui a valu le prix Nobel de physique en 2006.
“COBE était terminé, et j’ai reçu un appel téléphonique de la NASA au sujet de ce télescope de nouvelle génération”, se souvient-il. “Est-ce que je voulais être un scientifique en chef ? Bien sûr ! Mais je ne comprenais pas que cela prendrait une éternité.”
Comme le raconte Mather, Alan Dressler, astronome principal aux observatoires Carnegie qui étudie l’évolution galactique, a contribué à convaincre Dan Goldin, alors administrateur de la NASA, qu’un très grand télescope infrarouge était nécessaire dans l’espace, un télescope qui pourrait remonter dans le temps jusqu’à environ 13 milliards d’années pour détecter les premières étoiles et galaxies. Les scientifiques pensent qu’à cette époque, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, des nuages de gaz neutre se sont condensés pour former les premiers objets lumineux. En raison de l’expansion de l’univers, la lumière provenant de ces premières étoiles et galaxies a été déplacée de ses courtes longueurs d’onde initiales vers l’infrarouge. Malheureusement, Hubble ne peut pas voir assez loin dans cette région du spectre. Le télescope spatial Spitzer de la NASA (2003-2020) le pouvait, mais avec un miroir de moins d’un mètre de diamètre, il n’avait pas la capacité de voir des objets très éloignés.
“Avec Hubble, en particulier, nous avions espéré pouvoir voir des galaxies en train de naître, mais nous ne pouvons pas”, a expliqué Mather. “Ces objets sont trop éloignés et trop faibles. Leur lumière est plus décalée vers le rouge que ce que Hubble peut recevoir. Le JWST nous aidera donc à comprendre comment le premier univers lisse a produit des graines qui se sont transformées en objets, galaxies et trous noirs.” M. Mather espère que l’acuité du JWST “nous renseignera également sur les ondes gravitationnelles présentes dans ce matériau primitif. La présence – ou l’absence – d’ondes gravitationnelles fait une grande différence dans notre compréhension de la physique de base.”
Difficultés budgétaires et techniques
Lorsque Mather s’est engagé dans le projet Next Generation Space Telescope, il a invité son collègue astrophysicien de Goddard, Eric Smith, qui avait de l’expérience en astronomie spatiale, à collaborer aux exigences scientifiques du télescope et à sa conception initiale. Les deux hommes se sont mis au travail avec des comités techniques, des équipes d’ingénieurs et des entrepreneurs aérospatiaux pour créer des concepts et des dessins pour le nouvel observatoire spatial.
Dès le départ, l’ampleur du projet a été sous-estimée, et son exécution a été terriblement sous-budgétée. Les estimations initiales en 1996 pour un télescope plus petit étaient de 1 à 3,5 milliards de dollars, avec une date de lancement prévue dès 2007. Aujourd’hui, le prix dépasse les 9,3 milliards de dollars.
Les dépassements de budget n’ont pas été une totale surprise. “Dan Goldin était un grand enthousiaste pour faire les choses moins chères”, se souvient Mather. “La réponse lors des premières réunions était un rire : ‘Ok patron, on va essayer’. Mais on ne pouvait pas faire [ce télescope] avec le budget qu’il demandait.”
Smith, qui est maintenant le scientifique chargé du programme Webb au siège de la NASA (il a également occupé ce poste pour Hubble), a déclaré que la structure et la taille du télescope n’ont cessé de se transformer, tout comme la complexité des équipements au sol et des systèmes de test nécessaires pour garantir un fonctionnement sans faille dans l’espace. Par exemple, de nouvelles puces de processeur ont dû être développées pour répondre à des exigences très strictes en matière de faible niveau de bruit. Le béryllium non magnétique a été choisi comme substrat des miroirs – au lieu du verre de silice utilisé dans Hubble – en raison de sa légèreté, de sa rigidité, de sa forte conductivité électrique et de sa capacité à conserver sa forme dans une gamme de températures extrêmes. Pour augmenter leur réflectivité, les miroirs ont dû être recouverts d’une couche d’or de seulement 120 nanomètres d’épaisseur, appliquée par dépôt sous vide en phase vapeur.
Une telle innovation coûte de l’argent. ” De nombreuses missions d’astronomie se sont appuyées sur des homologues de l’armée et de l’agence spatiale [pour leur patrimoine technique] “, a déclaré Smith. “Mais c’est nous [la NASA] qui payons le prix fort pour la plus grande partie de ce projet”, bien que l’Europe et le Canada, en tant que partenaires, aient apporté des fonds, du personnel et des instruments scientifiques, ainsi que le lancement de la fusée Ariane.
Les problèmes politiques et budgétaires du projet se sont accumulés. Même après que la construction principale du télescope a commencé en 2008 et qu’il a passé son examen critique de conception en 2010 avec d’excellentes notes techniques, les dépassements de coûts ont incité le Congrès à demander un examen indépendant. Un an plus tard, une commission des crédits de la Chambre des représentants a même tenté d’annuler le projet en réduisant le budget global de la NASA de 1,9 milliard de dollars. Mais en novembre 2011, les critiques ont reculé, en partie parce que le JWST a reçu le soutien de l’American Astronomical Society et que l’influente sénatrice Barbara Mikulski a défendu un projet coûteux basé dans son État natal, le Maryland. Le Congrès a alors plafonné le budget du télescope à 8 milliards de dollars. Ce total a été largement dépassé.
Smith propose une explication. “Nous n’avons jamais rien construit de tel auparavant”, a-t-il déclaré. “Le projet [initial] n’était pas assez vaste et, par la suite, nous avons pris conscience de la difficulté technique du projet. D’une part, le miroir du télescope nécessaire pour obtenir la sensibilité requise dépasserait la taille de n’importe quel carénage de fusée, la partie supérieure qui encapsule le vaisseau spatial. Le miroir devait donc être segmenté et replié à l’intérieur du cône de nez.
“Nous savions également que nous avions besoin d’un télescope déployable”, a déclaré Smith, un télescope qui se déploierait dans une séquence complexe d’opérations et prendrait son poste à des millions de kilomètres de distance plutôt qu’en orbite terrestre comme Hubble. Et parce que l’on souhaite détecter le très faible rayonnement infrarouge provenant des confins de l’univers, l’observatoire lui-même doit émettre le moins d’énergie thermique possible. “Nous devrions le refroidir et le maintenir au frais, ce qui implique un pare-soleil et un tube qui bloque la lumière [parasite]”, explique M. Smith. “Mais le tube a une masse, et vous voulez minimiser la quantité de masse que vous lancez. [Nous savions donc que si nous devions placer ce télescope loin de la Terre, qui est une grande source de lumière infrarouge (avec le soleil et l’électronique de l’observatoire), nous aurions besoin d’un parasol – un écran unilatéral faisant face au soleil, à la Terre et à la lune. Les miroirs se trouvent sur le côté froid”.
La NASA avait besoin d’un nouvel équipement au sol pour tester tout ce déploiement compliqué. Et essayer d’imiter la dynamique zéro-G de ce vaisseau spatial unique en son genre en gravité normale était un gros travail en soi, surtout lorsqu’il s’agissait de tester le pare-soleil à cinq couches, qui doit être soigneusement “tendu” et serré dans l’espace après son déploiement. En 2018, à la grande honte de la NASA, le couvercle du bouclier solaire a perdu certaines de ses vis et rondelles lors de tests de vibration et d’acoustique. Cela a entraîné un autre retard, le temps qu’un comité d’examen indépendant se penche sur cette question et sur d’autres problèmes techniques.
Espoirs et craintes
À son apogée, pas moins de 2 000 scientifiques et techniciens travaillaient sur le Webb, avec un total d’environ 10 000 personnes impliquées dans sa construction au fil des décennies. Northrop Grumman est le maître d’œuvre du télescope, après avoir racheté en 2002 la société TRW, qui avait remporté le contrat initial. Outre le vaisseau spatial, les miroirs (primaire et secondaire) et le pare-soleil, quatre instruments ont dû être conçus et construits pour analyser la lumière collectée par le miroir. La spectroscopie est tout aussi importante que l’imagerie, car elle décompose la lumière entrante en longueurs d’onde discrètes qui peuvent révéler la composition chimique de l’objet source, son mouvement et d’autres propriétés physiques.
L’Université de l’Arizona fournit la caméra proche infrarouge, ou NIRCam. L’Agence spatiale européenne (ESA), en coopération avec le Jet Propulsion Laboratory (JPL), a fourni l’instrument infrarouge moyen (MIRI), une combinaison de caméra et de spectrographe qui voit encore plus loin dans l’infrarouge.
L’ESA a également construit NIRSpec, abréviation de Near-Infrared Spectrometer (spectromètre dans le proche infrarouge), qui est particulièrement adapté à l’étude des galaxies lointaines et peut analyser la lumière de plus de 100 sources à la fois. “C’est la première fois que cela se fait dans l’espace”, a déclaré Nora Lützgendorf, scientifique responsable de l’instrument NIRSpec. Cette capacité unique provient d’un nouveau réseau de micro-obturateurs dont les cellules (de la largeur moyenne d’un cheveu humain) ont de minuscules couvercles qui s’ouvrent et se ferment individuellement lorsqu’un champ magnétique est appliqué, ce qui permet à l’instrument de visualiser ou de bloquer sélectivement des cibles dans son champ de vision.
Un dernier instrument, appelé FGS-NIRISS (Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph), construit par l’Agence spatiale canadienne, est un spectrographe du “grand cosmos” capable de mesurer simultanément les couleurs spectrales de tous les objets célestes situés dans son champ de vision. La partie FGS de l’instrument aide Webb à se verrouiller sur les cibles avec une grande précision. “C’est probablement le meilleur capteur de guidage jamais construit”, a déclaré René Doyon, professeur de physique à l’Université de Montréal et chercheur principal de NIRISS.
“NIRISS et NIRSpec sont complémentaires”, a expliqué Doyon. “Alors que NIRSpec peut sélectionner des objets individuels… pour NIRISS il n’y a pas de fentes, et donc nous pouvons prendre des spectres pour quelques milliers de sources dans le champ, mais au prix d’une sensibilité plus faible.” NIRISS est optimisé pour mesurer les spectres d’étoiles relativement brillantes ainsi que d’amas de galaxies massives et de galaxies de faible masse dont la lumière est déformée (un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle) par d’autres objets massifs situés dans la ligne de visée entre eux et le télescope.
À l’approche du jour du lancement, les astronomes du monde entier sont aussi nerveux qu’ils sont excités. Thomas Zurbuchen, qui dirige le bureau scientifique de la NASA, a canalisé leur anxiété collective lorsqu’il a écrit récemment que le voyage en fusée lui-même ne sera pas le pire moment : “Environ 50 déploiements doivent avoir lieu après le lancement pour mettre en place l’énorme système. Avec 344 défaillances ponctuelles – des étapes individuelles qui doivent fonctionner pour que la mission soit un succès – ce déploiement après le lancement nous tiendra en haleine pendant environ trois semaines. À titre de comparaison, ce chiffre est trois fois plus élevé que celui des défaillances uniques liées à l’atterrissage sur Mars, qui n’a duré que sept minutes. …. Ceux qui ne sont pas inquiets, voire terrifiés, ne comprennent pas ce que nous essayons de faire.”
Les six premiers mois qui suivent le lancement sont consacrés à la mise en service de l’observatoire, afin de s’assurer que l’engin spatial et les instruments fonctionnent comme prévu. Cinq autres mois environ seront consacrés aux premières observations scientifiques. Des astronomes sélectionnés entraîneront le télescope sur un large éventail de cibles, des galaxies lointaines aux planètes de notre propre système solaire, afin d’acquérir de l’expérience avec les nuances de ce nouvel instrument et de partager ces connaissances avec le reste de la communauté astronomique – un peu comme les pilotes d’essai de l’armée de l’air qui essaient un nouvel avion de chasse avant de le déployer dans les escadrons de vol.
Les autres premiers utilisateurs seront les “observateurs à temps garanti”, c’est-à-dire les personnes qui ont passé des années de leur vie à planifier et à construire ce nouveau télescope et qui seront les premiers à l’utiliser, sans avoir à se battre pour obtenir du temps d’observation. Le JWST a été conçu principalement pour la cosmologie de l’espace lointain, mais tout télescope de ce calibre fait un peu de tout, et il sera appelé à faire pratiquement tous les types d’observations astronomiques, chaque fois que sa sensibilité et sa puissance uniques seront requises. (Voir ci-dessous un échantillon de ces études à temps garanti).
Enfin, les astronomes du monde entier peuvent demander du temps précieux en utilisant Webb, dans le cadre de cycles annuels où leurs propositions sont examinées par des pairs et où les gagnants se voient attribuer du temps d’observation. Pour le “cycle 1”, comme on appelle les premiers projets, 6 000 heures d’observations communautaires ont été approuvées, afin d’étudier toutes sortes de choses, des noyaux galactiques actifs aux trous noirs supermassifs, en passant par les populations stellaires, les disques planétaires, les exoplanètes et la structure à grande échelle de l’univers.
Un projet appelé COSMOS-WEBB est le plus important de ces programmes d’observation générale sélectionnés pour la première année du télescope. Le JWST se concentrera sur l’équateur céleste, a déclaré Jeyhan Kartaltepe, astronome à l’Institut de technologie de Rochester, qui codirige une équipe de 50 scientifiques. “Nous allons créer une carte physique des galaxies les plus anciennes avec les décalages vers le rouge les plus élevés”, a-t-elle précisé. “Avec Hubble, nous pouvions étudier les galaxies… jusqu’à z~6 [une mesure du décalage vers le rouge] et sans beaucoup de détails. Avec le JWST, nous pouvons aller jusqu’à z~10 avec une meilleure résolution à tous les décalages vers le rouge.”
Caitlin Casey, co-investigatrice de COSMOS-WEBB et astronome à l’Université du Texas à Austin, a déclaré qu’elle s’attendait à voir des galaxies datant de seulement 300 à 400 millions d’années après le Big Bang : “C’est une petite fraction de l’âge de l’univers et bien au-delà de ce que Hubble pouvait faire. Tout l’enjeu… est que nous n’allons pas seulement trouver des galaxies, mais [découvrir]… à quel point elles sont localisées ou groupées.”
Pour John Mather, le lauréat du prix Nobel qui travaille sur ce projet depuis avant que Kartaltepe et Casey ne soient au lycée, le jour du lancement se fait attendre. “Pour moi, je suis ravi de voir qu’une idée écrite dans un petit livre par le comité de Dressler est maintenant devenue réelle”, dit-il. “Le pouvoir est étonnant. Je me sens privilégié que des gens puissent réellement faire fonctionner ce matériel de vol.”
Quant à ce que le JWST pourrait nous apprendre sur l’univers, “j’espère trouver quelque chose que personne n’a vraiment imaginé”, déclare Mather. “La nature a quelques astuces… et je pense que nous allons les voir”.
Romain Belair