Historique

 

Du NGST au JWST

C’est en 1989 que Ricardo Giacconi (alors directeur du STScI, le centre des opérations du HST, à Baltimore, et futur Prix Nobel – 2002), réalisant quiil fallait un minimum de 20 ans entre les premières études et la mise en orbite d’un projet spatial, suggéra la

Projettenue d’un atelier de travail qui préparerait l’après-HST, qui était alors prévu pour 2005. Cet atelier concluait que l’étude des galaxies à grandes distances (z=1, à l’époque) devrait constituer le premier objectif du successeur du HST, lequel devrait avoir un diamètre de 8 mètres et fonctionner dans l’infrarouge proche, en orbite haute ou sur la Lune. Ce télescope encore dans les limbes fut dès lors baptisé sous le nom de NGST (pour New Generation Space Telescope). Les années qui suivirent virent les astronomes de Baltimore et la NASA aux prises avec les problèmes de vision du HST, et les études sur le NGST furent momentanément délaissées. Ce n’est qu’en 1993, après le succès de COSPAR  qui corrigeait spectaculairement l’astigmatisme du HST, que fut prise la décision de prolonger la durée de vie du HST jusqu’en 2010, et de reprendre les études de faisabilité d’un télescope de 4 mètres qui contribuerait au grand projet ORIGINS dont l’ambition est d’élucider les mécanismes de formation des galaxies, des étoiles et des planètes, et de l’apparition de la Vie. Plusieurs projets de télescopes de 4 m furent alors proposés, mais, en 1995, le directeur de la NASA, Dan Goldin, mettait la communauté astronomique en instance de penser « Plus vite, Meilleur et Moins Cher » (le fameux « Faster, Better, Cheaper« ) et lui demandait de présenter un projet de télescope de 8 m à un coût inférieur à celui des télescopes précédents. C’est ainsi que, dès l’année suivante, plusieurs études envisageaient la réalisation de télescopes dont les miroirs de 8 m pourraient se déployer dans l’espace, dotés de grands parasols et placés en orbite haute, pour la modeste somme d’environ 500 millions de dollars.

Des simulations basées sur les données obtenues avec le HST démontraient que de tels diamètres étaient non seulement nécessaires mais aussi suffisants pour observer les galaxies les plus lointaines. La NASA décida alors de financer des études complémentaires : le NGST entrait alors dans sa phase A, qui correspond à l’étude détaillée de la faisabilité d’un projet. En 1997, l’ESA et l’Agence spatiale canadienne (CSA) rejoignaient le projet. Durant les années 1997-2000, les grands objectifs scientifiques étaient définis : ils n’ont guère été modifiés depuis. Parallèlement, apparaissaient les premières avancées technologiques requises pour la bonne réalisation du projet, en matière, par exemple, de miroirs ultralégers, d’optique adaptive, de détecteurs de nouvelle génération, voire d’actuateurs cryogéniques. Hélas, les estimations budgétaires excédaient de plusieurs centaines de millions de dollars la somme qui pouvait être raisonnablement envisagée, et le miroir du NGST dut être réduit à un diamètre de 6m en 2001. L’année suivante, le NGST entrait dans sa phase B, qui est la définition finale du projet, et la NASA procédait à la répartition des tâches, en particulier en sélectionnant les équipes qui seraient chargées de la réalisation des différents instruments.

En septembre 2002, le NGST reçut le nom de télescope Spatial James Webb, et sera désormais connu sous le sigle de JWST. Ceci fut rendu nécessaire après que la construction du télescope a été confiée au groupe industriel Northrop Grumman et sa filiale Space Technologies dont le sigle était… NGST! Au cours de l’été 2007, la NASA et l’ESA d’une part, et la NASA et la CSA d’autre part, signaient leurs protocoles d’accord respectifs, fixant les modalités de développement et d’opération du JWST. Le coût total du projet fut estimé, à l’époque, à 3,5 milliards de dollars. Le JWST devait fonctionner, contractuellement, pendant une durée minimum de 5 ans, mais les agences misaient sur au moins 5 années de plus : un budget de fonctionnement de 1 milliard pour 10 ans d’opération a donc été provisionné. À titre de comparaison, le HST aura coûté 4,1 milliards, entre la première phase de son étude et son lancement, auxquels il convient d’ajouter 250 millions par année pour son fonctionnement. Le budget actuel de l’ensemble du projet JWST avoisine désormais les 7,8 milliards de dollars.

 

Bienvenue au James Webb !

HST_a_JWSTJames Webb (1902–1992) fut le second administrateur général de la NASA et le principal artisan du programme Apollo qui a connu son apogée avec l’alunissage de Neil Armstrong le 20 juillet 1969. C’est la première fois que la NASA baptise un de ses véhicules spatiaux du nom d’une personne qui n’était pas un scientifique. Le miroir du JWST aura un diamètre de 6,5 m. Or, si fabriquer un miroir de cette dimension ne pose plus de problème de nos jours, le placer en orbite est une toute autre histoire : en effet, si le HST, qui n’a “qu’un” diamètre de 2,4 m, était mis à l’échelle du JWST, il serait beaucoup trop lourd pour pouvoir être placé dans l’espace ! De plus, aucune fusée n’est actuellement assez grande pour contenir un miroir monolithique de cette taille puisque le diamètre utile d’Ariane 5 ne dépasse pas 5 m.

Le miroir du JWST sera donc composé de 18 segments hexagonaux de 1,315 m de côté, assemblés de telle manière que l’ensemble peut être plié et rentrer dans Ariane, puis déplié une fois libéré dans l’espace. C’est un peu la même chose, toutes proportions gardées, que de fabriquer un bateau à l’intérieur d’une bouteille! D’autant plus que le parasol qui doit être utilisé comme bouclier thermique a les dimensions d’un court de tennis : bien entendu, lui aussi sera replié à l’intérieur d’Ariane, et commencera à se déployer 2 jours après le lancement. Cet écran solaire permettra au télescope d’atteindre passivement une température de 37 K (–266 °C), deux mois après le lancement. La température de fonctionnement de l’instrument MIRI est encore plus basse (de 4 degrés seulement, mais à ce niveau cette différence est énorme), et pour y arriver, il faudra près de 3 mois supplémentaires! Pour information, la température du HST varie énormément entre le jour et la nuit et peut atteindre des extrema de –85 °C et +60 °C.

De nombreuses innovations (et prouesses) techniques ont été nécessaires pour réaliser le JWST : ne serait-ce qu’en ce qui concerne la fabrication du miroir primaire, en particulier avec l’utilisation de béryllium pour qu’il soit ultra-léger, mais aussi pour le rendre pliable et, surtout, pour que sa forme puisse être ajustée, une fois les segments assemblés dans l’espace. Le JWST a aussi bénéficié de développements récents réalisés sur les détecteurs, qui doivent pouvoir enregistrer des signaux extrêmement faibles, du contrôle de micro-obturateurs par des systèmes de micro-électromécanique (pour le positionnement des objets à observer avec le spectrographe), et le système cryogénique requis pour refroidir le détecteur de MIRI jusqu’à une température de 7 K ! Toutes ces technologies « de pointe » ont été « qualifiées », c’est-à-dire que leur efficacité et fiabilité ont été dûment démontrées, certifiées conformes aux spécifications requises, et aptes pour leur utilisation dans l’espace, et ce, depuis janvier 2007.

La mission scientifique impartie au JWST a 4 composantes : 1/ rechercher les premières galaxies ou les premiers objets lumineux qui se sont formés après le Big-Bang, ce qui revient à observer des objets dont le décalage vers le rouge, z, est entre 15 et 30, c’est-à-dire dont la lumière a été émise lorsque l’Univers n’avait que de 1 à 2 % de son âge actuel ; 2/ déterminer comment les galaxies ont évolué, depuis l’époque où elles se sont formées jusqu’à aujourd’hui ; 3/ comprendre le processus de formation des étoiles, de leur gestation jusqu’à la stabilisation de leur cortège planétaire ; et enfin 4/, établir les propriétés physiques et chimiques de systèmes planétaires et étudier leur potentiel pour héberger la vie. Pour remplir sa mission, le JWST sera doté de 4 instruments  qui opéreront à des longueurs d’onde allant de 0,6 à 28 microns, ce qui est imposé par la combinaison des décalages vers le rouge due à l’expansion de l’Univers, de l’assombrissement par les poussières, et des températures intrinsèquement faibles des sources qui seront étudiées.

 

SuccesseurIl est d’usage de dire que le JWST est le successeur de Hubble. Est-ce vraiment légitime ? Il y a, bien sûr, des similitudes : les deux télescopes sont placés dans l’espace. Les deux ont pour objectif de parfaire nos connaissances des phénomènes astrophysiques, par exemple les mécanismes qui gouvernent la formation d’une étoile et de son système planétaire, ou la formation et l’évolution des galaxies. Mais il existe cependant des différences fondamentales entre le HST et le JWST.

Tout d’abord, les observations qui seront effectuées par le JWST le seront principalement dans des longueurs d’onde situées dans l’infrarouge, alors que le HST observe dans le domaine visible et ultraviolet (encore que le HST peut observer une petite portion du spectre infrarouge entre 0,8 et 2,5 microns). A ce titre il serait tout aussi légitime de dire que le JWST est aussi le successeur du satellite infrarouge Spitzer. Ensuite, le JWST aura un miroir beaucoup plus grand que ne l’est celui du HST. Ces deux caractéristiques font que le JWST pourra sonder l’Univers beaucoup plus en arrière dans le temps que n’est capable de le faire le HST. Une autre différence importante est qu’alors que le HST est en orbite proche autour de la Terre (à environ 570 kilomètres), le JWST sera positionné beaucoup plus loin. Pour être plus froid. Ceci, non seulement parce que la température de fonctionnement des détecteurs infrarouge est très basse (–266° C), mais surtout parce que tous les objets (y compris les télescopes!) émettent un rayonnement dans un domaine de longueurs d’onde qui dépend de leur température, et qu’aux températures qui nous sont familières (celles du HST, par exemple) ce domaine correspond à celui couvert par les instruments du JWST. Ainsi, pour éviter que le signal infrarouge extrêmement faible des objets distants que le JWST se propose d’observer ne soit noyé dans le rayonnement ambiant provenant du télescope et de l’instrument, ceux-ci doivent être maintenus à une température la plus basse possible. Ils émettront alors dans des longueurs d’onde supérieures à celles auxquelles seront effectuées les observations. C’est pourquoi le JWST sera équipé d’un grand écran qui bloquera la lumière du Soleil, de la Terre et de la Lune, qui sinon ne manqueraient pas de réchauffer le télescope, et par conséquent d’interférer avec les observations. Et pour masquer ces trois objets ensemble de la manière la plus simple, le plus facile est qu’ils soient vus par le télescope dans la même direction. L’endroit le plus propice pour que cela soit, est ce que les mathématiciens appellent le “Second Point de Lagrange (L2)” du système Soleil-Terre:  un point de Lagrange, ou point de libration, est une position de l’espace où les champs de gravité de deux corps en orbite l’un autour de l’autre, et de masses substantielles, se combinent de manière à fournir un point d’équilibre à un troisième corps de masse négligeable, c’est-à-dire un point où toutes les forces de gravitation se compensent, ce qui fait que les positions relatives des trois corps restent fixes.

Le point L2 reste à l’extérieur de l’orbite de la Terre tandis qu’elle effectue sa révolution autour du Soleil, et les trois corps sont alignés en permanence. Une telle orbite d’autre part garantit la continuité des observations, ce qui n’est pas le cas pour Hubble. Notons que le point L2 est une destination très recherchée, puisque c’est là qu’ont été mis en orbite les satellite WMAP, Herschel, Planck et Gaia.  Il y d’autres avantages à positionner le JWST en L2 : non seulement l’accès y est direct, ce qui facilite énormément les problèmes de navigation, mais de plus, les forces gravitationnelles combinées de la Terre et du Soleil permettant à elles seules de maintenir le satellite en position, cela évitera d’avoir trop souvent recours à des fusées auxiliaires, comme c’est hélas le cas pour Hubble dont les gyroscopes sont mis à rude épreuve (et ont une durée de vie limitée !).

D’autre part, comme nous l’avons vu, s’il fut possible de lancer le HST avec la navette spatiale, cela ne l’est pas pour le JWST, qui devra utiliser la fusée européenne Ariane 5 ECA pour rejoindre son orbite. Et comme celle-ci est beaucoup plus éloignée de la Terre que ne l’est celle du HST, cela signifie en particulier qu’aucune mission de sauvetage ou d’entretien, comme celles qui ont assuré le succès du HST ne pourra être envisagée. Ceci est une différence fondamentale entre les deux télescopes, et un lourd handicap pour le JWST.

À tel point que la NASA a finalement décidé (le 24 mai 2007) d’étudier la possibilité que des missions robotisées puissent le cas échéant effectuer certaines tâches de réparation et de maintenance. Enfin, une importante différence entre les deux observatoires spatiaux est que le JWST sera réellement un observatoire ouvert à la communauté internationale dans son ensemble, en particulier aux astronomes européens, à part (presque) égale avec leurs collègues américains, et ceci d’une manière plus formelle que dans le cas du HST. Il est donc à prévoir que les astronomes français en récolteront un bénéfice encore plus important que celui qu’ils tirent actuellement du HST. En résumé, il semble préférable d’étiqueter le JWST comme « Grand Télescope Infrarouge Spatial » plutôt que comme « successeur » du HST. Le Télescope de Hubble est, et restera unique. Il n’aura pas de successeur à proprement parlé, et le JWST en sera un grand frère plus jeune.

 

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