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JWST – Le télescope spatial James Webb
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Regarder plus profondément dans l'univers
Certains mégaprojets impliquent des infrastructures gigantesques, comme par exemple le cercle de 27 kilomètres de diamètre de l'accélérateur de particules du CERN ou la L'expérience neutrino de DUNE, longue de 800 kilomètres.
D’autres peuvent être qualifiés de mégaprojets non pas en raison de leur taille, mais en raison de leur complexité, de leurs coûts et de la transformation qu’ils représentent pour notre compréhension de l’Univers.
Le télescope spatial James Webb (JWST) en est un bon exemple. Ce télescope spatial à lumière infrarouge est le plus puissant et le plus grand jamais créé. Il doit son nom à James E. Webb, l'administrateur légendaire de la NASA de 1961 à 1968 lors des programmes Mercury, Gemini et Apollo.
Source: NASA
Le JWST est si puissant qu’il pourrait tout aussi bien nous aider à observer les toutes premières étoiles à s’être allumées dans l’Univers et à trouver des exoplanètes potentiellement habitables. Et pour obtenir ces résultats, scientifiques et ingénieurs ont fait des merveilles pour repousser les limites de ce que les télescopes pouvaient réaliser.
Pourquoi mettre un télescope dans l’espace ?
La première chose à comprendre à propos du télescope spatial James Webb est la raison pour laquelle il doit être dans l’espace. Après tout, il est beaucoup plus difficile de faire voler des machines complexes dans l’espace que de construire le même engin sur Terre.
En sortant de l’atmosphère, les télescopes peuvent obtenir une vue de l’Univers sans être perturbés par la pollution lumineuse, les turbulences atmosphériques et, bien sûr, les nuages et les conditions météorologiques.
C'est la raison pour laquelle le télescope Hubble, relativement petit, a obtenu de si bons résultats par rapport aux télescopes terrestres. Mais c'était particulièrement important pour le JWST, car ce télescope ne mesure pas la lumière visible, mais la lumière infrarouge.
La vapeur d'eau présente dans l'atmosphère terrestre absorbe le rayonnement infrarouge. Les télescopes infrarouges terrestres sont généralement placés en haute montagne et dans des climats très secs pour améliorer la visibilité, mais cette situation n'est pas idéale et limite intrinsèquement leur champ d'observation.
Le JWST est le dernier et de loin le plus puissant d'une gamme de télescopes infrarouges basés dans l'espace, après le Satellite astronomique infrarouge (IRAS), le Télescope Spitzerainsi que, Explorateur d'enquêtes infrarouges à grand champ (SAGE).
Le JWST a été lancé en 2021 par un lanceur français Ariane 5, depuis la Guyane française. Un mois plus tard, il est arrivé à destination, le point de Lagrange L2 Soleil-Terre, à environ 1.5 million de kilomètres de la Terre.
Les points de Lagrange sont des positions dans l'espace qui restent constantes par rapport à la Terre, même si elles ne sont pas en orbite autour de la Terre. Actuellement, un autre point de Lagrange (L1) est utilisé par DSCOVR : Observatoire climatique de l'espace lointain.
Source: NOAA
La position du JWST signifie qu'il peut observer presque n'importe quel point du ciel tout au long de l'année, à condition qu'il ne soit pas dans la direction de la Terre et du Soleil ; 39 % du ciel est potentiellement visible pour Webb à tout moment.
Pourquoi utiliser l’observation infrarouge ?
Objets éloignés
Pour les objets très lointains de l’Univers, un phénomène appelé « décalage vers le rouge » se produit, déplaçant leur lumière vers l’infrarouge. Ainsi, toute observation de la partie très profonde (et donc très ancienne) de l’Univers tend à devoir être effectuée dans la partie infrarouge du spectre lumineux.
Source: SciTech Quotidien
En raison de ce phénomène, Hubble ne pouvait voir que jusqu'à une certaine distance et dans le temps, à l'époque où les premières galaxies se formaient. En observant dans l'infrarouge, le JWST peut voir jusqu'à une certaine distance dans l'histoire de l'Univers, à l'époque où les premières étoiles se formaient.
Exoplanètes
Les observations infrarouges ont un autre avantage, concernant cette fois l'analyse des exoplanètes. Le JWST embarquera un système appelé coronographe : celui-ci bloquera la lumière provenant d'une étoile, ce qui permettra de mieux voir les objets moins brillants en orbite comme les petites exoplanètes.
L’image d’une exoplanète ne serait qu’un point, pas un grand panorama.
Source: NASA
Cependant, la lumière provenant de ce point peut être analysée grâce à une méthode appelée spectroscopie, qui peut nous renseigner sur la composition de l'atmosphère de ces exoplanètes. Aux longueurs d'onde infrarouges, les molécules de l'atmosphère des exoplanètes présentent le plus grand nombre de caractéristiques spectrales, ce qui nous permettra d'obtenir beaucoup plus d'informations qu'en utilisant la lumière visible.
Grâce à cette méthode, nous pourrions non seulement déterminer si les planètes d’autres systèmes solaires contiennent de l’eau et du CO2 mais aussi du méthane, de l’ammoniac ou des molécules complexes potentiellement indicatrices de vie extraterrestre.
Comparaison du JWST et du Hubble
En ce qui concerne sa capacité d'observation, le JWST se concentre principalement sur la lumière proche infrarouge, mais peut également voir la lumière visible orange et rouge et la gamme infrarouge moyenne, selon l'instrument utilisé.
Il peut détecter des objets 100 fois moins brillants que Hubble. Dans de nombreux cas, il est utilisé pour examiner les objets révélés par Hubble afin d'obtenir de nouvelles informations à leur sujet.
Cependant, la netteté de l'image sera comparable à celle de Hubble en raison du fait que les images infrarouges sont intrinsèquement moins nettes que la lumière visible en raison des longueurs d'onde plus longues.
Une autre différence entre les deux télescopes emblématiques est que le JWST est capable de voir à travers les nuages de gaz, bloquant la lumière visible, mais pas l'infrarouge. Ainsi, la version du JWST de la célèbre image des Piliers de la Création, dans la nébuleuse de l'Aigle, révèle de nombreuses étoiles à l'intérieur et autour des piliers.
Source: Télescope Webb
Spécifications JWST
JWST est équipé d'un miroir primaire en béryllium recouvert d'or de 6.5 mètres (21 pieds) composé de 18 miroirs hexagonaux séparés, ce qui lui donne son aspect emblématique.
Chacun de ces miroirs pèse 20 kg. Le revêtement en or de 44 nanomètres assure la réflexion de la lumière infrarouge et est recouvert de verre pour le rendre suffisamment résistant. Cela lui confère une zone de collecte de lumière 100 fois plus grande que celle de Hubble. Au total, seulement 6 g d'or ont été utilisés.
Source: NASA
Contrairement à Hubble, Webb n'est pas conçu pour être entretenu par des astronautes, en raison de sa grande distance par rapport à la Terre. Par conséquent, tous les sous-composants critiques sont doubles, par exemple deux caméras proches de l'infrarouge, ou sont conçus pour durer de nombreuses années comme les miroirs.
Le JWST devrait durer au moins 5 ans, avec un objectif de 10 ans d'exploitation. Il dispose cependant de suffisamment de propergol (pour rester au point de Lagrange) pour un total de 20 ans, ce qui lui permettrait de durer plus longtemps si aucune pièce clé ne tombe en panne.
Budget JWST
Au total, Le télescope spatial James Webb a finalement coûté plus de 11 milliards de dollars, plus de 10 fois l'estimation initiale de la NASA pour ce projet. Cette explosion des prix menacé la viabilité du projet dans les années 2010, en raison du budget (à l’époque) qui a explosé à « seulement » 6.5 milliards de dollars.
Un lancement initialement prévu en 2014, finalement avec 7 ans de retard, ajoute aux critiques.
« La cause fondamentale du problème est qu'au moment (de l'approbation formelle du programme), qui remonte à juillet 2008, le budget présenté à la NASA par le bureau du projet était fondamentalement erroné », a-t-il déclaré aux journalistes lors d'une téléconférence dans l'après-midi.
« Le budget ne comprenait tout simplement pas le contenu dont le projet avait connaissance à l’époque. Du point de vue financier, il était tout simplement insuffisant pour mener à bien les travaux. »
John Casani, un chef de projet très respecté au Jet Propulsion Laboratory de la NASA
Bien que la conception et la réalisation du projet aient duré près de deux décennies, il n'a jamais représenté plus de 2 % du budget annuel de la NASA. Il a cependant absorbé un tiers du budget de la division astrophysique de la NASA entre 3 et 1.
Et maintenant que le JWST est l’un des programmes d’astronomie les plus impressionnants et les plus réussis de l’histoire, la plupart de ces débats sont oubliés.
L'ingénierie étonnante de JWST
Perdre du poids
Le premier problème que les concepteurs du JWST ont dû résoudre était qu'un miroir aussi grand serait trop lourd. S'ils avaient réutilisé la conception du télescope Hubble, il aurait été trop lourd pour être lancé dans l'espace.
C'est pourquoi le choix s'est porté sur le béryllium, matériau à la fois solide et léger. Un autre facteur était la température extrême de l'espace lointain, qui pouvait déformer la courbure extrêmement précise requise des miroirs.
Le béryllium était ici aussi une bonne option, car il cesse de changer de forme lorsqu'il fait vraiment froid. Les miroirs ont donc été fabriqués avec un « mauvais » angle, qui se plierait exactement à la forme finale prévue une fois exposés au froid de l'espace (-233°C/-388°F).
Source: JWST
Chaque miroir serait finalement aligné avec une précision égale à 1/10,000 XNUMXe de l’épaisseur d’un cheveu humain.
Des matériaux ultra-légers comme les composites ont également été choisis pour l'épine dorsale du télescope, économisant ainsi encore du poids.
Source: NASA
Se replier
Un autre problème majeur était que la taille extrême du miroir du télescope requis par cette conception ne rentrerait dans aucune fusée disponible.
Il a donc été décidé très tôt de déplier la structure pièce par pièce, y compris le pare-soleil et les rétroviseurs. Restait à savoir comment plier l'ensemble efficacement et le déplier de manière fiable.
Les scientifiques de la NASA se sont inspirés de l'origami, l'art japonais du pliage du papier, et leur choix final s'est porté sur un modèle d'origami hexagonal.
Il s'agissait d'une décision à haut risque pour l'équipe de conception de James Webb, car un déploiement aussi complexe n'avait jamais été réalisé auparavant. Et tout échec aurait condamné l'ensemble du projet.
Vous pouvez voir comment le déploiement a fonctionné étape par étape dans cette courte vidéo JWST :
Pare-soleil
Comme le télescope observe ses cibles dans l’infrarouge, le protéger de la chaleur du Soleil était aussi essentiel que d’avoir les miroirs suffisamment éclairés et correctement dépliés.
Le pare-soleil du JWST maintient la différence entre le côté chaud et le côté froid du télescope à près de 315°C/600°F, grâce à une isolation à 5 couches.
Le pare-soleil est aussi grand qu'un court de tennis et est composé de couches de Kapton E (film polyimide) avec des revêtements en aluminium et en silicium dopé pour réfléchir la chaleur du soleil vers l'espace.
Télécommunications
Le JWST transmet ses données et reçoit ses instructions de la Terre via le réseau Deep Space Network de la NASA. Ces données transitent par des stations terrestres situées à Canberra, Madrid et Goldstone.
Webb peut télécharger au moins 57.2 gigaoctets de données scientifiques enregistrées chaque jour, avec un débit de données maximal de 28 mégabits par seconde.
Source: Télescope Webb
Autres composants
Le reste du télescope n'était pas moins high-tech et performant. Des mentions honorables peuvent être attribuées à quelques équipements :
- Refroidisseur cryogénique: L'infrarouge moyen du JWST Capteurs (MIRI) L'instrument doit fonctionner à -266.15°C/-447°F, soit une température plus froide que celle des profondeurs de l'espace. Il a donc fallu ajouter un système de refroidissement supplémentaire pour refroidir l'instrument.
- Fond de panier: L'épine dorsale du télescope pèse 2.4 tonnes (5,300 32 livres) et offre la position absolument immobile nécessaire au télescope pour prendre des photos nettes. Il a été conçu pour être stable jusqu'à 1 nanomètres, soit 10,000/XNUMX XNUMX du diamètre d'un cheveu humain.
- Micro-volets: cette grille de 248,000 XNUMX petites portes Les télescopes peuvent être ouverts et fermés individuellement pour transmettre ou bloquer la lumière. Cela permet au JWST d'observer simultanément des centaines d'objets individuels dans un champ d'étoiles ou de galaxies. Par conséquent, le JWST peut effectuer beaucoup plus d'observations pendant une période donnée.
Les réalisations de JWST
En service depuis quelques années seulement, le JWST a déjà complètement changé la façon dont les astronomes comprennent l'Univers. Il est donc presque impossible d'énumérer tout ce qu'il a déjà fait, mais quelques anecdotes méritent d'être soulignées.
Propagation du carbone nouvellement formé
Le JWST a identifié deux étoiles responsables de la production de poussière riche en carbone à seulement 5,000 XNUMX années-lumière de distance dans notre propre galaxie, la Voie Lactée. Il a repéré des « coquilles » sphériques concentriques formées par la collision des vents solaires des deux étoiles, répandant du carbone nouvellement formé dans la galaxie.
Source: Télescope Webb
Chaque coquille s'éloigne des étoiles à plus de 1,600 2,600 kilomètres par seconde, soit près de 1 % de la vitesse de la lumière. Dans ce système, l'observatoire montre que les coquilles de poussière se dilatent d'une année sur l'autre.
Les images dans l'infrarouge moyen du télescope ont détecté des coquilles qui ont persisté pendant plus de 130 ans. Les coquilles plus anciennes se sont suffisamment dissipées pour être désormais trop faibles pour être détectées.
Jennifer Hoffman, co-auteur et professeur à l'Université de Denver
Objets actifs aux confins de notre système solaire
Le JWST détecte une éjection de gaz provenant du « Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann » glacé, un objet semblable à une comète à proximité de Neptune.
Ils ont découvert un nouveau jet de monoxyde de carbone (CO) et des jets de gaz de dioxyde de carbone (CO2) inédits, qui donnent de nouveaux indices sur la nature du noyau de l'objet stellaire.
Source: Télescope Webb
Image d'exoplanètes proches
Le JWST a capturé une image directe d'une exoplanète située à seulement 12 années-lumière de nous, Epsilon Indi Ab. Cette planète a une masse plusieurs fois supérieure à celle de Jupiter et gravite autour d'une étoile assez semblable à notre Soleil.
C'est l'une des exoplanètes les plus froides à avoir été détectée directement, avec une température moyenne estimée à 2°C/35°F (pour référence, la température moyenne de la Terre est de 15°C (59 °F).
« Les planètes froides sont très faibles et la plupart de leurs émissions se situent dans l’infrarouge moyen.
Elle est un peu plus chaude et plus massive, mais elle ressemble plus à Jupiter que toute autre planète photographiée jusqu'à présent.
Elisabeth Matthews de l'Institut Max Planck d'astronomie en Allemagne.
Molécules complexes dans la formation des planètes
Pendant ce temps, l'exoplanète K2-18 b pourrait être une exoplanète hycéenne, qui a le potentiel de posséder une atmosphère riche en hydrogène et une surface recouverte d'un océan d'eau.
« Les exoplanètes comme K2-18 b, dont la taille se situe entre celle de la Terre et celle de Neptune, ne ressemblent à rien d’autre dans notre système solaire. Nos découvertes soulignent l’importance de prendre en compte divers environnements habitables dans la recherche de la vie ailleurs. »
Le JWST a également découvert plusieurs composés de carbone, et même du diméthylsulfure, dans l'atmosphère de la planète.
Source: NASA
Le JWST a été découvert pour la première fois en dehors de notre système solaire l'éthane (C2H6), ainsi que l'éthylène (C2H4), le propyne (C3H4) et le radical méthyle CH3 autour d'une jeune étoile.
Il a également permis la première détection d'éléments lourds issus d'une fusion d'étoiles, donnant naissance au deuxième sursaut gamma le plus brillant jamais détecté, ou kilonova. Les scientifiques du JWST ont détecté du tellure dans les séquelles de l'explosion.
Le trou noir le plus lointain (et le plus ancien) jamais détecté
En collaboration avec l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, le JWST a détecté un trou noir en croissance seulement 470 millions d'années après le Big Bang. Le JWST a découvert la galaxie, et Chandra le trou noir lui-même.
Source: NASA
Nous pensons qu’il s’agit de la première détection d’un « trou noir surdimensionné » qui s’est formé directement à partir de l’effondrement d’un énorme nuage de gaz.
Pour la première fois, nous assistons à une brève phase où un trou noir supermassif pèse à peu près autant que les étoiles de sa galaxie avant de prendre du retard.
Priyamvada Natarajan de l'Université de Yale
L'avenir du JWST
Après avoir découvert et analysé des exoplanètes, le JWST se lance à la recherche d'exolunes. Nous savons que ces corps planétaires, potentiellement plus grands que la Terre dans certains cas, doivent exister, mais nous n'avons jamais eu d'instrument suffisamment sensible pour les détecter. Les exoplanètes géantes gazeuses comme Jupiter sont des candidates de choix.
Le JWST étudiera également les trous noirs supermassifs et les quasars, des trous noirs qui crachent de leurs pôles à la vitesse de la lumière une quantité de matière équivalente à celle d'une étoile. Le télescope se concentrera sur les tout premiers spécimens de ces phénomènes stellaires.
Enfin, l’étude très précoce des galaxies ainsi que des structures à grande échelle de l’Univers pourrait apporter de nouvelles connaissances sur la nature de la matière noire et de l’énergie noire qui semblent échapper aux scientifiques depuis des décennies.
Principal entrepreneur privé de JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
Northrop Grumman Corporation (NOC -1.88%)
Un projet comme JWST est presque toujours le résultat d'une collaboration internationale, avec, dans ce cas, la participation de la NASA, de l’ESA et de l’Agence spatiale canadienne.
De nombreux entrepreneurs du secteur privé ont également participé à l'opération, le plus important d'entre eux étant la société d'aérospatiale et de défense Northrop Grumman.
Northrop Grumman est surtout connu pour la création de l'emblématique bombardier stratégique furtif B-2, chacun coûtant près d'un milliard de dollars. Cette conception vieille de plus de 20 ans va être remplacé par le B-21, qui est encore en développement.
L'entreprise est également à la pointe de la technologie spatiale, comme en témoignent ses travaux sur le télescope spatial James Webb, à la pointe de la technologie. L'entreprise tire la majeure partie de ses revenus des systèmes spatiaux et aéronautiques.
Source: Northrop
Un autre segment important est la division des systèmes de mission, qui couvre une large gamme de capteurs, de logiciels de cyberdéfense, de communications sécurisées et C4ISR (Commandement, Contrôle, Communications, Informatique, Renseignement, Surveillance et Reconnaissance).
C'est également un producteur leader de munitions, du petit calibre aux projectiles guidés et de gros calibre.
Northrop Grumman se réjouit de sa position de fournisseur d'armes avancées, avec le développement et le déploiement de systèmes d’armes autonomes:
- X 47B, un avion sans pilote de la taille d'un chasseur d'attaque sans queue.
- Le drone hélicoptère feu scout.
- Drone de surveillance Global Hawk MQ-4C Triton.
- Drones maritimes Raie manta Système de chasse aux mines AQS-24B/C.
- Système d'aéronef sans pilote Bat (UAS)des systèmes d'aéronefs sans pilote tactiques multimissions, persistants et abordables.
Source: Northrop
L'entreprise est à la pointe du développement de armes à énergie directe (lasers), guerre électronique, systèmes anti-drone et missiles balistiques intercontinentaux.
D'un point de vue financier et d'investissement, Northrop Grumman a augmenté son dividende de 12 % TCAC depuis 2014, tout en réduisant le nombre d'actions de 31 %. Cela s'est traduit par 2.6 milliards de dollars de dividendes et de rachats d'actions en 2023, tandis que la société a généré 2.1 milliards de dollars de flux de trésorerie disponible.
Northrop Grumman tire presque exclusivement ses revenus du budget de la défense américaine, la NASA représentant 3 % des revenus et les ventes internationales 12 %.
Source: Northrop
Là où des sociétés comme RTX et Lockheed fournissent l’essentiel de l’armée de l’air américaine (avions de combat, missiles, défense aérienne), Northrop Grumman fournit les capacités les plus avancées, depuis l’espace jusqu’aux bombardiers lourds furtifs et à commandement intégré.
Et peut-être bientôt une part importante des drones avancés, de la guerre électronique et des armes énergétiques.
Avec l'importance croissante des drones et de la guerre électronique, Northrop jouera probablement un rôle de plus en plus crucial dans les capacités offensives et défensives des États-Unis. Ses nouveaux bombardiers furtifs seront un facteur clé pour rester en phase avec des adversaires comme la Russie et la Chine, avec lesquels les tensions restent très vives.
