James Webb Space Telescope : un géant au service de la connaissance

C’est un géant au service de la connaissance. Un titan de 22 mètres de long et de 12 mètres de large dont l’œil cyclopéen distinguera les galaxies les plus lointaines, sondera le cœur obscurci de poussières des nébuleuses stellaires et arrachera à des exoplanètes les secrets de la composition de leurs atmosphères. Le plus grand télescope spatial de l’histoire, le James Webb Space Telescope (JWST), sera lancé le 25 décembre 2021 par une fusée Ariane 5, depuis la base de Kourou (Guyane). Cet énorme instrument de la taille d’un cours de tennis, conçu par la NASA en collaboration avec l’Agence spatiale canadienne (ASC) et l’ESA, doit observer le ciel dans le domaine de l’infrarouge avec une définition et une sensibilité inédites… Il promet d’être à l’origine de la prochaine révolution de l’astronomie.

Apercevoir les premières galaxies de l’Univers

Le JWST avait, au départ, été conçu comme un successeur du télescope spatial Hubble (HST) à même d’étudier des objets trop lointains pour être détectables par ce dernier. Regarder à distance revenant en astronomie à remonter le cours du temps, ces derniers se trouvent être aussi les plus primitifs du cosmos. Selon toute vraisemblance, les premières étoiles et galaxies sont apparues durant les premières centaines de millions d’années qui ont suivi le « Big Bang », il y a 13,7 milliards d’années.

En raison de l’expansion de l’Univers survenue depuis cette époque, leurs spectres lumineux ont été décalés vers le rouge et l’infrarouge, les rendant de nos jours indétectables depuis le sol et difficilement perceptibles pour un télescope spatial, opérant surtout dans le visible et dans l’ultraviolet comme Hubble. D’où l’idée, lancée en 1989, d’un nouvel observatoire qui fonctionnerait dans une gamme de longueurs d’onde adaptées – de 0,6 à 28 micromètres –, qui serait capable, non seulement de relever les caractéristiques générales de ces populations d’astres primordiaux, mais également d’en réaliser des images de qualité, voire d’en établir la composition par le recours à la spectroscopie. « En effet, certaines de ces anciennes galaxies s’avèrent difficiles à étudier, car, outre les complications liées à leurs distances, elles contiennent d’énormes quantités de poussières. Il était prévu que le JWST regarde le ciel dans un domaine du spectre lumineux infrarouge où ces dernières apparaissent transparentes », raconte Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au CEA et co-responsable pour la France du spectro-imageur MIRI du JWST.

Un instrument au service de toutes les disciplines de l’astrophysique

Depuis, le projet a été modifié pour faire du JWST, non plus un télescope dédié à la seule cosmologie, mais un instrument généraliste. Résultat : « De nombreux domaines de l’astrophysique profiteront, durant les cinq à dix ans de la mission, de sa résolution angulaire et de sa sensibilité hors norme, huit à cinquante fois supérieures à celles de « Spitzer », qui fut le plus puissant télescope spatial infrarouge jusqu’à sa mise hors service en 2020 ». En particulier, les recherches sur les nébuleuses stellaires bénéficieront grandement de sa mise en route. Ces gigantesques nuages de gaz et de poussières, d’une masse des milliers de fois supérieure à celle du Soleil sont les pouponnières où naissent, souvent par groupe, suite à l’effondrement sur elles-mêmes de régions plus froides et plus denses que d’autres, les systèmes solaires.

« Grâce aux images et aux spectres du JWST, il sera possible d’accéder à des informations inédites sur la chimie et sur la physique de ce processus, depuis le moment où les étoiles se forment à l’intérieur des disques protoplanétaires jusqu’à celui où elles disparaissent en enrichissant leur environnement en éléments lourds », indique Olivier Berné, chercheur CNRS à l’IRAP à Toulouse et principal investigateur d’un programme d’« Early release science » du JWST consacré à l’observation de la « barre d’Orion ». Et il en sera de même des études sur les exoplanètes dont les atmosphères seront pour la première fois, détectées et même partiellement caractérisées, fournissant aux astronomes un nouveau critère pour établir, lesquels d’entre elles sont potentiellement habitables ou susceptibles d’abriter une forme de vie…

Les avancées qu’il doit réaliser dans ces disciplines n’impliquent pas que JWST renonce à sa vocation. Loin s’en faut ! Le télescope spatial répondra à nombre des questions des cosmologistes, indique Hakim Atek de l’IAP (Institut d’Astrophysique de Paris) : « Il pourrait parvenir à observer les toutes premières galaxies de l’Univers et suivre les étapes de leur formation en remontant le temps jusqu’à 100 millions d’années après le « Big Bang ». Il étudiera aussi la façon dont ces astres primitifs, de petites tailles et aux formes irrégulières ont évolué pour donner naissance, en « fusionnant » les uns avec les autres, aux grandes galaxies elliptiques et spirales actuelles. Et précisera le rôle joué par les étoiles massives et flamboyantes de la première génération de galaxies, dans la phase de « Réionisation » de l’Univers qui, vit à la fin des « Âges Sombres » (une période de 400 millions d’années au cours de laquelle l’espace était transparent, mais dépourvu de sources lumineuses discrètes), les électrons s’échapper massivement des atomes d’hydrogène et d’hélium. Ces derniers étaient alors les principaux éléments chimiques présents dans le Cosmos. » Enfin, le JWST tentera d’expliquer pourquoi le rythme de formation des étoiles à voici 6 milliards d’années, atteint un pic avant de finir par diminuer.

Un lancement attendu depuis trois décennies…

Nébuleuses stellaires, exoplanètes, cosmologie et même corps du Système solaire… La moisson de découvertes s’annonce fabuleuse. Celles-ci viendront récompenser les plus trois décennies d’efforts de l’équipe du JWST. Lancé en 1989, le projet subit plusieurs modifications avant même que la NASA se résolve en 1997 à lancer, avec le concours de l’ESA et de l’ASC, les premières études de faisabilité de l’instrument. Par la suite, le programme traverse de multiples crises, dues aux dépenses toujours plus importantes qu’il génère, obligeant à chaque fois les ingénieurs à revoir leur copie : en 2011, le Congrès pense même l’arrêter définitivement. Prévu pour 2007, le lancement du JWST interviendra en 2021 pour un coût de 8,8 milliards de dollars 17 fois supérieur au budget initial !

La conception d’un observatoire aussi gros a également posé des problèmes. En effet, à pouvoir de résolution équivalente, le miroir primaire d’un télescope infrarouge est plus grand que celui de son équivalent fonctionnant dans le visible. Pour répondre aux exigences des astronomes, celui du JWST devait avoir un diamètre de 6,4 mètres là où celui du HST en mesure 2,4 seulement. Aucun lanceur n’étant capable de transporter une pièce aussi imposante d’un seul tenant, les ingénieurs de la NASA ont été contraints de décomposer cette dernière en 18 segments hexagonaux en béryllium assemblés sur une structure en carbone composite de telle façon qu’elle puisse être pliée en trois pour rentrer dans la soute d’Ariane 5 puis dépliée, une fois arrivée dans l’espace.

Autre obstacle : la température. Des détecteurs comme ceux du JWST fonctionnent à… -266 °C au mieux ! À des températures aussi basses, même la chaleur dissipée par le télescope peut venir perturber les mesures. C’est pourquoi la NASA a dû équiper le JWST, d’un gigantesque parasol : un bouclier thermique pliable en polymère souple de 22 mètres de long et de 12 mètres de large. Ce dernier le protège de la lumière du Soleil, de la Terre et de la Lune. Toujours pour préserver les optiques, le choix a été fait d’envoyer l’instrument le plus loin possible de ces sources de rayonnement, en le positionnant à 1,5 million de km de notre planète, sur le point de Lagrange dit « L2 ». Une décision risquée. « Car placé à de pareilles distances, le JWST ne pourra pas, comme ce fut le cas pour le HST (qui lui se trouve seulement à une altitude de 570 km), être réparé au cours d’éventuelles missions de sauvetage réalisées à bord de navettes », indique Pierre Ferruit, co-responsable scientifique pour le JWST à l’ESA.

Enfin, il a fallu s’atteler à la fabrication des instruments. Ces derniers ne serviront pas seulement à produire des images, mais également à réaliser des spectres des objets observés ce qui permettra d’accéder à leurs températures ou à une partie de leurs compositions. Au nombre de quatre, ils fonctionneront dans une gamme de longueurs d’onde allant de 0,6 à 26 micromètres.

Trois d’entre eux – l’imageur « NIRCam », le spectro-imageur « NIRISS » et le spectromètre « NIRSPec » placé sous les responsabilités respectives de la NASA, de l’ASC et de l’ESA – en dessous de 5 micromètres. Et un dernier, au-delà : le spectro-imageur « MIRI » construit conjointement par les États-Unis et l’Europe avec la participation, sous une maitrise d’ouvrage du CNES, de laboratoires du CNRS, de l’Observatoire de Paris et d’universités françaises dont le travail a été coordonné par le CEA.

À l’instar de ceux d’Hubble, ces équipements seront mis à la disposition de tout astronome qui en fera la demande indépendamment de sa nationalité, après sélection de son projet par un comité scientifique. Mais un minimum de 15 % de leur « temps ouvert » d’utilisation sera réservé aux laboratoires du vieux continent. « En effet, outre la construction (par l’industriel Airbus Defence and Space) de “NIRSPec” et la moitié de celle de “Miri”, l’Europe a financé le lanceur Ariane 5, portant à 700 millions d’euros sur 5 ans, son investissement dans la mission », indique Pierre Ferruit. Avec 4300 utilisateurs prévus pour la seule première année, nul doute que la dépense apparaît justifiée. Après 32 ans d’attente, l’aventure spatiale du JWST débute, enfin. Et elle s’annonce passionnante.