James Webb : le futur de l’observation spatiale

Fin octobre 2016, la NASA annonçait que le dernier panneau de protection solaire de son télescope James Webb était terminé. Ce télescope devrait être lancé en 2018, et devrait permettre d’étendre notre connaissance de l’espace. Il est souvent comparé avec le télescope Hubble, probablement le mieux connu des télescopes spatiaux, qui devrait fonctionner jusqu’à la fin de la décennie.

L’œil comme premier instrument d’observation

Le premier instrument utilisé pour l’observation spatiale, s’il est possible de le qualifier ainsi, est l’œil humain. Dès l’antiquité, les hommes ont observé le ciel, et se sont interrogés sur la nature de ce que nous appelons aujourd’hui des étoiles. Ces observations ont permis de poser les bases de l’astronomie, qui seront utilisées pendant des siècles pour naviguer sur les différentes mers du globe. Il est aujourd’hui difficile d’imaginer que, pendant des millénaires, les observations n’aient été réalisées qu’à l’œil nu, et que les résultats aient pu être assez précis pour permettre aux navigateurs de se repérer. Cependant, les conditions d’observations de la voute céleste sont radicalement différentes de celles de l’Antiquité. En effet, à l’époque, le ciel était dégagé et seule la météo pouvait venir camoufler les étoiles. Aujourd’hui, la pollution lumineuse est telle qu’en ville, la grande majorité des étoiles n’est pas visible.

MilkyWay
Image de la Voie Lactée, la nuit, en l’absence de pollution lumineuse. La vision est radicalement différente de ce qui peut être observé en ville. Crédits : Visualhunt

Les observations à l’œil nu ont permis de nombreuses découvertes, notamment le Soleil et la Lune bien entendu, mais aussi les planètes Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. En observant le mouvement de ces corps célestes et en notant qu’ils se déplaçaient par rapport aux étoiles, considérées comme étant fixes, les astronomes en ont déduis que ces corps étaient différents des étoiles. Il est notamment intéressant de noter que Copernic formula sa théorie de système héliocentrique (les planètes tournent autour du Soleil, et non de la Terre) uniquement à partir d’observations à l’œil nu. Et il faut attendre étonnamment longtemps avant que les premiers instruments d’observations astronomiques soient utilisés. On attribue généralement la première lunette astronomique à Galilée qui, en 1609, modifia une lunette inventée quelques années plus tôt, pour améliorer son grossissement et diminuer les déformations engendrées par l’instrument. Mais surtout, plutôt que d’essayer d’observer l’horizon, il va pointer sa lunette vers le ciel, et marque ainsi le début d’une nouvelle ère en astronomie. Son rôle dans ce domaine a été si décisif que, de nos jours, de nombreuses missions spatiales sont nommées après lui.

L’invention de la lunette astronomique, puis du télescope

Avec l’utilisation de la lunette astronomique, les découvertes s’enchaînent à une vitesse de plus en plus importante. Les lunettes astronomiques s’améliorent, et permettent des observations de plus en plus précises, d’objets de plus en plus loin de la Terre. Inventé quelques années après la lunette astronomique, le télescope apparaît au milieu du 17ème siècle. Le fonctionnement des instruments est différents, la lunette utilisant uniquement des lentilles pour grossir et augmenter la luminosité des corps célestes là où le télescope utilise des miroirs, mais l’objectif est le même : observer le ciel avec de meilleures outils que l’œil humain.

Cependant, en matière de taille, il devient très vite compliqué de faire de grosses lentilles pour des lunettes astronomiques : la plus grosse lunette astronomique jamais construite a été présentée en 1900 à l’exposition universelle de Paris, et avait une lentille de 1,25 mètre de diamètre. En revanche, la construction du plus gros télescope du monde s’est achevée il y a quelques semaines, en Chine. Avec un diamètre de près de 500 mètres, il devrait permettre de nombreuses découvertes liées aux prémices de l’Univers. Cependant, il est impacté par un élément fortement limitant : l’atmosphère terrestre.

Le télescope spatial : l’affranchissement de la contrainte atmosphérique

Une observation depuis le sol terrestre doit déjà être effectuée éloignée au maximum de toute pollution lumineuse, ce qui n’est pas évident. Mais au-delà de cette contrainte, l’atmosphère constitue un problème qu’il est bien plus complexe de contourner. L’atmosphère perturbe en effet fortement les observations, en absorbant une partie de la lumière visible. Mais pas uniquement : les émissions dans les ondes infrarouges ou le rayonnement gamma sont entièrement absorbées par l’atmosphère. Cela est plutôt positif en matière de vie sur Terre, puisque sans cela, l’homme ne survivrait pas, mais cela rend impossible toute observation à ces longueurs d’ondes, qui pourtant permettent une bien meilleure connaissance de l’univers.

Hubble
Photo du télescope spatial Hubble, prise en 2002, à la suite d’une intervention de cinq jours, visant à améliorer certains instruments. Crédits : NASA

Au milieu du 20ème siècle, l’idée d’envoyer un télescope dans l’espace commence à germer. A l’époque, il n’est technologiquement pas possible d’envoyer de façon permanente un télescope dans l’espace. Cependant, le domaine spatial progresse particulièrement vite en période de Guerre Froide, et les premières missions débutent dans les années 60. De télescopes ne restant que peu de temps hors de l’atmosphère, les projets deviennent rapidement plus ambitieux et dans les années 70, les premiers télescopes devant rester plusieurs années en orbite sont lancés. Certains satellites sont envoyés pour observer spécifiquement dans l’ultraviolet ou l’infrarouge, dans le spectre visible par l’œil humain, ou encore pour capturer les rayonnements gamma qu’il est impossible de capter sur Terre. En 1990 est envoyé le télescope spatial le plus connu du grand public : Hubble.

HubbleReparation
Accrochés au bras mécanique de la navette Endeavour, les astronautes Story Musgrave et Jeffrey Hoffman effectuent leur dernière intervention sur Hubble. Cette mission, en 1993, visait entre autres à corriger un défaut rendant floues toutes les photos prises par le télescope. Crédits : NASA

Cependant, les premières images renvoyées par le télescope sont floues, et il faudra attendre une correction des instruments optiques grâce à une première mission en 1993. Les astronautes effectueront en tout quatre missions, la dernière en 2009, pour améliorer Hubble et lui permettre de remplir sa mission le plus longtemps possible. D’une taille et d’un poids comparable à celui des bus scolaires américains, ses performances sont assez remarquables : son miroir de 2,4 mètres de diamètre capte énormément de lumière, ce qui permet au télescope de détecter des corps célestes 10 milliards de fois moins lumineux que ce que l’œil humain peut voir. D’une très grande précision, il a été un instrument particulièrement précieux pour les scientifiques. Et il a renvoyé des photos absolument splendides, qui ont contribué à sa renommée sur Terre.

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Photo prise en 1999 par Hubble de la Nébuleuse de l’œuf Pourri (Rotten Egg Nubula). Crédits : NASA/ESA & Valentin Bujarrabal Observatorio Astronomico Nacional, Spain

James Webb : le successeur d’Hubble

Le télescope aura permis, entre autres, de mesurer avec plus de précision le taux d’expansion de l’univers, ou encore de valider l’existence de trous noirs au centre des galaxies, mais les performances du télescope ne sont pas infinies. Même en modernisant ses instruments embarqués, il finira par devenir obsolète. La NASA a donc lancé un projet visant à remplacer Hubble. Son successeur sera le télescope James Webb. En réalité, les deux télescopes n’observent pas la même chose : Hubble observe surtout dans la lumière visible et ultraviolette, alors que Webb observera dans la bande infrarouge. Les galaxies éloignées émettent de la lumière qui nous parvient dans les longueurs d’onde de l’infrarouge, ce qui explique le choix des longueurs d’onde observées par le JWST (James Webb Spatial Telescope).

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Photo prise en 2010 par Hubble de la Nébuleuse de la Carène (Carena Nubula). Crédits : NASA/ESA/STScI

Ce télescope de nouvelle génération a une forme bien particulière, en raison de deux innovations. La première est son miroir primaire, composé de 18 hexagones en béryllium qui se déplieront une fois le satellite en orbite. Cela permet d’envoyer dans l’espace un miroir d’un diamètre de 6,5m plus simplement que si le miroir était en un seul morceau. La seconde innovation majeure est le bouclier thermique situé sous le miroir, composé ce 5 couches de la taille d’un court de tennis environ. Ce bouclier permet d’atténuer l’échauffement lié au Soleil d’un facteur un million.

Le télescope est le fruit d’une collaboration entre l’agence spatiale européenne, l’agence spatiale canadienne et l’agence spatiale américaine, cette dernière ayant financé la grande majorité du projet. Les coûts sans cesse revus à la hausse ont d’ailleurs failli mettre un terme au projet, qui verra finalement le jour. Webb devrait être envoyé dans l’espace en octobre 2018, depuis le site de Kourou en Guyane Française. Une fois en orbite à 1,5 millions de kilomètres de la Terre, il traquera la lumière des premières galaxies qui se sont formées dans l’univers. Ses observations devraient permettre de mieux comprendre notre univers, et notamment sa formation. Reste désormais à patienter jusqu’en 2018 et le lancement du télescope, dans l’attente de clichés aussi surprenants que ceux de Hubble, pour permettre de mieux appréhender notre place dans l’immensité qu’est l’Univers.

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L’équipe travaillant dans la salle blanche où est situé le télescope Webb posent devant le miroir primaire, après l’assemblage des 18 hexagones qui le composent. Les miroirs en béryllium ont été couvert d’une fine couche d’or pour optimiser la réflexion de la lumière infrarouge. Crédits : NASA/Chris Gunn

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