JWST – Le télescope spatial James Webb

Explorer plus profondément 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 l’expérience de neutrinos de 800 miles de long du projet DUNE.

D’autres peuvent être qualifiés de mégaprojets non pas à cause de leur taille, mais en raison de leur complexité, de leurs coûts et de la manière dont ils transforment notre compréhension de l’Univers.

Un bon exemple est le télescope spatial James Webb (JWST). Ce télescope spatial à lumière infrarouge est le plus puissant et le plus grand jamais créé. Le télescope porte le nom de James E. Webb, l’administrateur légendaire de la NASA de 1961 à 1968 pendant les programmes Mercury, Gemini et Apollo.

Source: NASA

Le JWST est si puissant qu’il peut à la fois nous aider à observer les toutes premières étoiles qui se sont allumées dans l’Univers et à trouver des exoplanètes potentiellement habitables. Et pour obtenir ces résultats, les scientifiques et les ingénieurs ont accompli des merveilles pour repousser les limites de ce que les télescopes pouvaient accomplir.

Pourquoi placer un télescope dans l’espace ?

La première chose à comprendre concernant le James Webb Space Telescope est pourquoi il doit être dans l’espace. Après tout, lancer une machinerie complexe dans l’espace est bien plus difficile que de construire la même chose sur Terre.

En sortant de l’atmosphère, les télescopes peuvent observer l’Univers sans être perturbés par la pollution lumineuse, la turbulence atmosphérique et, bien sûr, les nuages et les conditions météorologiques.

C’est la raison pour laquelle le télescope Hubble, relativement petit, a si bien fonctionné comparé aux télescopes terrestres. Mais cela était encore plus important pour le JWST, car ce télescope mesure non pas la lumière visible, mais la lumière infrarouge.

La vapeur d’eau dans l’atmosphère terrestre absorbe le rayonnement infrarouge. Les télescopes infrarouges terrestres sont généralement installés sur des hautes montagnes et dans des climats très secs pour améliorer la visibilité, mais cela reste loin d’être idéal et crée une limite inhérente à ce qu’ils peuvent observer.

Le JWST est le plus récent et de loin le plus puissant d’une série de télescopes infrarouges spatiaux, succédant au Satellite Astronomique Infrarouge (IRAS), au télescope spatial Spitzer et au Wide‑field Infrared Survey Explorer (WISE).

Le JWST a été lancé en 2021 à bord d’une fusée Ariane 5 française, 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 (930 000 miles) de la Terre.

Les points de Lagrange sont des positions dans l’espace qui restent constantes par rapport à la Terre, bien qu’ils ne soient pas en orbite terrestre. Actuellement, un autre point de Lagrange (L1) est utilisé par DSCOVR : Deep Space Climate Observatory.

Source: NOAA

La position du JWST lui permet d’observer presque n’importe quel point du ciel tout au long de l’année, tant qu’il n’est 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 lointains

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 doit se faire dans la partie infrarouge du spectre lumineux.

Source: SciTech Daily

En raison de ce phénomène, Hubble ne pouvait voir que jusqu’à une certaine distance et remonter dans le temps jusqu’à la formation des premières galaxies. En observant dans l’infrarouge, le JWST peut voir aussi loin dans l’histoire de l’Univers que la formation des premières étoiles.

Exoplanètes

Les observations infrarouges offrent un autre avantage, concernant cette fois l’analyse des exoplanètes. Le JWST sera équipé d’un système appelé coronographe : il bloquera la lumière provenant d’une étoile, nous permettant de mieux voir les objets moins lumineux en orbite, comme de petites exoplanètes.

L’image d’une exoplanète ne serait qu’un point, pas un grand panorama.

Source: NASA

Cependant, la lumière de ce point peut être analysée grâce à une méthode appelée spectroscopie, qui peut nous révéler la composition de l’atmosphère de ces exoplanètes. À des longueurs d’onde infrarouges, les molécules présentes dans les atmosphères des exoplanètes présentent le plus grand nombre de caractéristiques spectrales, nous fourniront donc beaucoup plus d’informations qu’avec la lumière visible.

Source: ESA

Grâce à cette méthode, nous pourrions non seulement déterminer si les planètes d’autres systèmes solaires possèdent de l’eau et du CO₂, mais aussi du méthane, de l’ammoniac ou des molécules complexes potentiellement indicatives d’une vie extraterrestre.

JWST comparé à Hubble

En ce qui concerne ses capacités d’observation, le JWST se concentre principalement sur la lumière proche infrarouge, mais peut également voir la lumière visible orange et rouge, ainsi que le domaine du moyen infrarouge, selon l’instrument utilisé.

Il peut détecter des objets 100 fois moins lumineux que Hubble ne le pouvait. Et dans de nombreux cas, il est utilisé pour revenir sur les objets que Hubble a découverts afin d’obtenir de nouvelles perspectives à leur sujet.

Cependant, la netteté des images sera comparable à celle de Hubble 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 ces deux télescopes emblématiques est que le JWST peut voir à travers les nuages de gaz, qui bloquent la lumière visible mais pas l’infrarouge. Ainsi, la version du JWST de la fameuse image des Piliers de la Création, dans la nébuleuse de l’Aigle, révèle de nombreuses étoiles à l’intérieur et autour des piliers.

Source: Webb Telescope

Caractéristiques du JWST

Le JWST possède un miroir primaire en béryllium revêtu d’or de 6,5 mètre (21 pieds), composé de 18 miroirs hexagonaux séparés, ce qui lui confère son apparence emblématique.

Chacun de ces miroirs pèse 20 kg (44 livres). Le revêtement d’or de 100 nanomètres assure la réflexion de la lumière infrarouge et est recouvert de verre pour le rendre suffisamment résistant. Cela lui confère une surface de collecte de lumière six fois plus grande que celle de Hubble. Au total, seulement 48,25 g d’or (1,7 once) ont été utilisés.

Source: NASA

Webb, contrairement à Hubble, n’est pas conçu pour être entretenu par des astronautes, en raison de sa grande distance par rapport à la Terre. En conséquence, tous les sous‑composants critiques sont redondants, par exemple deux caméras proche infrarouge, ou sont conçus pour durer de nombreuses années comme les miroirs.

Le JWST devrait durer au moins 5 ans, avec pour objectif 10 ans d’opérations. Il dispose toutefois de suffisamment de propergol (pour rester au point de Lagrange) pour un total de 20 ans, il pourrait donc durer plus longtemps si aucune pièce clé ne tombe en panne.

Budget du JWST

Au total, le James Webb Space Telescope a coûté plus de 11 milliards de dollars, soit plus de 10 fois l’estimation initiale de la NASA pour ce projet. Cette explosion de prix a menacé la viabilité du projet dans les années 2010, en raison du budget (à l’époque) qui a grimpé à « seulement » 6,5 milliards de dollars.

Un lancement initialement prévu pour 2014, finalement retardé de 7 ans, a ajouté aux critiques.

“La cause fondamentale du problème est qu’au moment de (l’approbation officielle du programme), qui remonte à juillet 2008, le budget présenté à la NASA par le bureau du projet était fondamentalement défectueux,” il a déclaré aux journalistes lors d’une téléconférence l’après‑midi.

Le budget ne contenait tout simplement pas les éléments dont le projet était même conscient à cette époque. Ainsi, d’un point de vue financier, il était simplement insuffisant pour mener à bien les travaux.

John Casani, chef de projet très respecté au Jet Propulsion Laboratory de la NASA

Alors que le projet a mis près de deux décennies à être conçu et construit, il n’a jamais dépassé 3 % du budget annuel de la NASA. Cependant, il a consommé un tiers du budget de la division Astrophysics de la NASA entre 2003 et 2021.

Et maintenant que le JWST est l’un des programmes les plus impressionnants et réussis de l’histoire de l’astronomie, la plupart de ces débats sont oubliés.

L’ingénierie incroyable du JWST

Perdre du poids

Le premier problème à résoudre pour les concepteurs du JWST était que ce miroir si grand serait trop lourd. S’ils avaient réutilisé le design d’Hubble, il aurait été trop lourd pour être lancé dans l’espace.

C’est pourquoi il a été choisi d’utiliser du béryllium, à la fois résistant et suffisamment 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 également une bonne option ici, car il ne change plus de forme lorsqu’il fait très froid. Ainsi, les miroirs ont été fabriqués avec un angle « incorrect », qui se plierait exactement à la forme finale prévue lorsqu’ils seraient 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 de l’épaisseur d’un cheveu humain.

Des matériaux ultra‑légers comme les composites ont également été choisis pour la structure du télescope, économisant ainsi davantage de poids.

Source: NASA

Repliage

Un autre problème majeur était que la taille extrême du miroir du télescope requise par ce design ne rentrerait dans aucun lanceur disponible.

Il a donc été décidé dès le départ de déployer la structure pièce par pièce, y compris le bouclier solaire et les miroirs. La façon de plier le tout efficacement et de le déployer de manière fiable restait une préoccupation.

Les scientifiques de la NASA se sont inspirés de l’origami, l’art japonais du pliage du papier, le choix final s’étant porté sur un motif d’origami hexagonal.

Ce fut une décision à haut risque pour l’équipe de conception du James Webb, car un tel déploiement complexe n’avait jamais été réalisé auparavant. Toute défaillance aurait condamné le projet entier.

Vous pouvez voir comment le déploiement s’est déroulé étape par étape dans cette courte vidéo du JWST :

Bouclier solaire

Comme le télescope observe ses cibles en infrarouge, le protéger de la chaleur du Soleil était aussi essentiel que d’avoir des miroirs suffisamment légers et correctement déployés.

Le bouclier solaire 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 bouclier solaire est aussi grand qu’un court de tennis et est composé de couches de Kapton E (film polyimide) avec des revêtements d’aluminium et de silicium dopé pour refléter la chaleur du Soleil dans l’espace.

Source: NASA

Télécommunications

Le JWST transmet ses données vers la Terre et reçoit des instructions via le Deep Space Network de la NASA. Ce réseau passe par des stations au sol situées à Canberra, Madrid et Goldstone.

Webb peut télécharger au moins 57,2 gigaoctets de données scientifiques enregistrées chaque jour, avec un débit maximal de 28 mégabits par seconde.

Source: Webb Telescope

Autres composants

Le reste du télescope n’était pas moins high‑tech et haute performance. Des mentions honorables peuvent être accordées à quelques équipements :

• Cryocooler: les capteurs du moyen infrarouge (MIRI) du JWST doivent fonctionner à -266,15 °C/-447 °F, plus froids que même les profondeurs de l’espace. Un système de refroidissement supplémentaire a donc dû être ajouté pour refroidir l’instrument.
• Backplane: l’épine dorsale du télescope pèse 2,4 tonnes (5 300 livres) et assure la position absolument immobile nécessaire au télescope pour prendre des images nettes. Elle a été conçue pour rester stable jusqu’à 32 nanomètres, soit 1/10 000 du diamètre d’un cheveu humain.
• Micro‑shutters: cette grille de 248 000 petites portes peut être ouverte ou fermée 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. En conséquence, le JWST peut réaliser beaucoup plus d’observations sur une même période.

Réalisations du JWST

En fonctionnement depuis seulement quelques années, le JWST a déjà complètement changé la façon dont les astronomes comprennent l’Univers. Ainsi, bien qu’il soit presque impossible d’énumérer tout ce qu’il a déjà accompli, quelques faits méritent d’être soulignés.

Diffusion du carbone nouvellement formé

Le JWST a identifié deux étoiles responsables de la génération de poussière riche en carbone à seulement 5 000 années‑lumière dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Il a détecté des « coques » sphériques concentriques formées par les vents solaires en collision des deux étoiles, diffusant le carbone nouvellement formé dans la galaxie.

Source: Webb Telescope

« Chaque coque s’éloigne des étoiles à plus de 1 600 miles par seconde (2 600 kilomètres par seconde), soit presque 1 % de la vitesse de la lumière. Dans ce système, l’observatoire montre que les coquilles de poussière s’étendent d’une année à l’autre.

Les images du moyen infrarouge du télescope ont détecté des coquilles qui ont persisté pendant plus de 130 ans. Les coquilles plus anciennes se sont dissipées au point d’être désormais trop faibles pour être détectées. 

Jennifer Hoffman, co‑auteur et professeure à l’Université de Denver

Objets actifs à la lisière de notre système solaire

Le JWST détecte l’éjection de gaz d’un « Centaur » glacé 29P/Schwassmann‑Wachmann, un objet de type comète à proximité de Neptune.

Ils ont découvert un nouveau jet de monoxyde de carbone (CO) et des jets de dioxyde de carbone (CO₂) auparavant invisibles, offrant de nouveaux indices sur la nature du noyau de cet objet stellaire.

Source: Webb Telescope

Image d’exoplanètes proches

Le JWST a capturé une image directe d’une exoplanète à seulement 12 années‑lumière de nous, Epsilon Indi Ab. La planète a plusieurs fois la masse de Jupiter et orbite autour d’une étoile quelque peu similaire à notre Soleil.

C’est l’une des exoplanètes les plus froides détectées 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 majeure partie de leur émission se situe dans le moyen infrarouge.

Elle est un peu plus chaude et plus massive, mais elle ressemble davantage à Jupiter qu’à toute autre planète qui a été imagée jusqu’à présent. 

Elisabeth Matthews de l’Institut Max Planck d’Astronomie en Allemagne.

Molécules complexes dans les planètes en formation

Dans le disque protoplanétaire se formant autour d’une étoile à 1 350 années‑lumière dans la nébuleuse d’Orion, le JWST a détecté le cation méthyle (CH₃⁺).

Par ailleurs, l’exoplanète K2‑18 b pourrait être une exoplanète Hycéan, susceptible 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 de Neptune, n’ont rien d’équivalent dans notre système solaire. Nos découvertes soulignent l’importance de prendre en compte des environnements habitables divers dans la recherche de vie ailleurs. 

Nikku Madhusudhan, astronome à l’Université de Cambridge

Le JWST a également trouvé plusieurs composés carbonés, et même du diméthyl‑sulfure dans l’atmosphère de la planète.

Source: NASA

Le JWST a 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.

Le JWST a 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.

Le trou noir le plus lointain (ancien) jamais détecté

En combinaison 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 trouvé 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 » formé directement à partir de l’effondrement d’un immense nuage de gaz.

Pour la première fois, nous observons une phase brève où un trou noir supermassif pèse à peu près autant que les étoiles de sa galaxie avant de s’effondrer. 

Priyamvada Natarajan, Université de Yale

Avenir du JWST

Après avoir trouvé et analysé des exoplanètes, le JWST part à la recherche d’exomoons. Nous savons que ces corps planétaires, potentiellement plus grands que la Terre dans certains cas, doivent exister, mais aucun instrument n’a jamais été assez sensible pour les détecter. Les exoplanètes géantes gazeuses comme Jupiter sont des candidates idéales.

Le JWST étudiera également les trous noirs supermassifs et les quasars, des trous noirs expulsant de leurs pôles une quantité de matière équivalente à une étoile à la vitesse de la lumière. Le télescope se concentrera sur les spécimens très précoces de ces phénomènes stellaires.

Enfin, étudier les galaxies ainsi que les structures à grande échelle de l’Univers très tôt pourrait apporter de nouvelles perspectives sur la nature de la matière noire et de l’énergie noire, qui échappent aux scientifiques depuis des décennies.

Principal contractant privé du JWST

Northrop Grumman Aerospace Systems

Un projet comme le 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.

Il a également impliqué de nombreux contractants du secteur privé, le plus en vue étant la société aérospatiale et de défense Northrop Grumman (NOC ).

Northrop Grumman est surtout célèbre pour la création du bombardier stratégique furtif emblématique B‑2, chacun coûtant près d’un milliard de dollars. Ce design de plus de 20 ans va être remplacé par le B‑21, qui est encore en développement.

L’entreprise se situe également à la pointe de la technologie spatiale, comme le montre son travail sur le télescope spatial James Webb de pointe. Elle tire la majeure partie de ses revenus des systèmes spatiaux et aéronautiques.

Source: Northrop

Un autre grand segment est la division des systèmes de mission, couvrant une large gamme de capteurs, de logiciels de cyberdéfense, de communications sécurisées et de C4ISR (Commandement, Contrôle, Communications, Informatique, Renseignement, Surveillance et Reconnaissance).

Elle est également un producteur majeur de munitions, des petits calibres aux projectiles guidés et aux gros calibres.

Northrop Grumman se projette dans son rôle de fournisseur d’armes avancées, avec le développement et le déploiement de systèmes d’armes autonomes :

• X-47B, un aéronef sans queue de la taille d’un avion de combat de frappe.
• Le drone hélicoptère Fire Scout.
• Drones de surveillance Global Hawk et MQ-4C Triton.
• Drones maritimes Manta Ray et AQS-24B/C Minehunting System.
• Bat Unmanned Aircraft System (UAS), système d’aéronefs sans pilote multi‑mission, persistant et abordable.

Source: Northrop

L’entreprise est à la pointe du développement des armes à énergie directe (lasers), de la guerre électronique, des systèmes anti‑drone et des missiles balistiques intercontinentaux.

Du point de vue de l’investissement et financier, Northrop Grumman a augmenté son dividende de 12 % CAGR depuis 2014, tout en réduisant le nombre d’actions de 31 %. Cela a entraîné 2,6 milliards de dollars de dividendes et de rachats d’actions en 2023, tandis que l’entreprise a généré 2,1 milliards de dollars de flux de trésorerie disponible.

Northrop Grumman tire presque exclusivement ses revenus du budget de défense américain, la NASA représentant 3 % des revenus et les ventes internationales 12 %.

Source: Northrop

Alors que des entreprises comme RTX et Lockheed fournissent la majeure partie de la puissance de l’Armée de l’air américaine (avions de chasse, missiles, défense aérienne), Northrop Grumman fournit la capacité la plus avancée, de l’espace aux commandements intégrés et aux bombardiers lourds furtifs.

Et peut‑être bientôt une partie importante des drones avancés, de la guerre électronique et des armes à énergie.

Avec l’importance croissante des drones et de la guerre électronique, Northrop deviendra probablement de plus en plus central pour les capacités offensives et défensives des États‑Unis. Et ses nouveaux bombardiers furtifs seront un facteur clé pour suivre le rythme des adversaires de même rang, comme la Russie et la Chine, avec qui les tensions restent très élevées.