Les Miroirs du Télescope

Le miroir du JWST est composé de 18 segments hexagonaux de 1,315 m de côté (équivalent à un miroir primaire de 6,5 mètres), 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.

Non seulement un “bon” télescope doit pouvoir focaliser et réfléchir le plus possible de lumière mais il doit aussi être le plus sensible possible aux longueurs d’onde auxquelles il observe. Ceci est défini par les objectifs scientifiques pour lesquels il a été conçu. En ce qui concerne le JWST, ce sera l’observation des objets lointains (ie. Jeunes dans l’histoire de l’Univers) et la formation et l’étude des exoplanètes. A cause de l’expansion de l’Univers (qui fait que les longueurs d’onde sont déplacées vers le rouge, et ce d’autant plus que l’objet observé est lointain) et de la nécessité de « traverser » les poussières, c’est dans l’infrarouge que le JWST opèrera.

Or, l’or accroît d’une manière très significative la réflectivité de la lumière infrarouge.

Bloc original de béryllium utilisé pour la fabrication d’un segment

Alors, quelles doivent-être les caractéristiques des miroirs ? Ils ne peuvent certainement pas être faits en or, car celui-ci est un des 3 matériaux les plus conducteurs de température (avec l’argent et le cuivre), et il se dilate et se contracte très facilement en fonction de celle-ci. Et puisque la surface équivalente des 18 segments du miroir primaire requiert que le revêtement soit lisse avec une précision de 20-22 nanomètres, il faut que le matériau utilisé puisse conserver sa forme à des températures cryogéniques. C’est pourquoi il a été décidé de fabriquer les miroirs à partir de béryllium.

Dos d’un des segments hexagonaux révélant la structure en « nid d’abeilles » obtenue pour réduire son poids sans altérer sa résistance aux dilatations/contractions qu’entraîneraient des variations de température.

Le béryllium est un métal léger qui est extrêmement résistant à toute déformation dans un très large domaine de températures. C’est un excellent conducteur d’électricité, mais non-magnétique. Comme, à l’état pur, le béryllium est un métal très dangereux à manipuler et respirer, c’est en fait un de ses oxydes qui est utilisé : une poudre fine appelée O-30. Chaque segment hexagonal est élaboré à partir d’une découpe d’un bloc initial de 250 kg. Celui-ci est évidé à la manière d’un nid d’abeille pour arriver à un poids final de 21 kg (environ 40 kg, lorsque on lui ajoute ses actuateurs). Le miroir seul (les 18 segments hexagonaux) pèsera 705 kg et l’ensemble du télescope sera, en définitive, ultra-léger, avec un poids de 6200 kg, seulement 55% de ce que pèse celui du télescope spatial Hubble actuellement en orbite.

Pour assurer la bonne réflexivité des miroirs, ils seront donc recouverts d’une couche d’or. Ce revêtement doit être suffisamment épais pour recouvrir entièrement le miroir, mais suffisamment fin aussi pour qu’ils ne se déforment pas lorsque la température varie. Ce revêtement est obtenu au moyen d’une méthode de déposition de vapeur sous vide : les miroirs sont placés dans une cuve à vide, et lorsque le vide est obtenu, une petite portion d’or est vaporisée et injectée dans la cuve (les parties qui ne doivent pas être recouvertes, comme le dos des miroirs, sont masquées par du « scotch » adhésif). Le processus continue jusqu’à obtenir une couche de 100 nanomètres d’épaisseur.

Tous les miroirs du JWST seront recouverts d’une mince pellicule d’or.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, cela ne fait pas beaucoup d’or ! Chaque atome d’or a environ 0.166 nanomètres de diamètre, et donc en moyenne l’épaisseur du revêtement d’or représente une épaisseur de 600 atomes. Avec les 18 segments, la surface équivalente est de 25 mètre-carrés. La densité de l’or étant de 19,3 g/cm-cube, cela fait donc environ 2,5 cm-cube au total. Ou encore, 48 grammes d’or ! Le prix équivalent est de l’ordre de 2000 €.

Notez que comme l’or est un métal très mou et malléable, il a besoin d’être protégé, ce qui est obtenu par une couverture d’une couche fine de verre amorphe transparent.

En conclusion, ce n’est pas tant la quantité d’or qui est utilisée qui compte dans la fabrication du télescope le plus puissant du monde, mais plutôt la manière dont cet or est utilisé !

Les 18 segments qui forment le miroir primaire du JWST après assemblage et dépôt d’or. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, il n’y a en fait pas beaucoup d’or! (NASA/Chris Gunn)

De nombreuses autres innovations (et prouesses) techniques ont été nécessaires pour réaliser le JWST, en particulier 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.

 

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