James-Webb (téléscope spatial)

Télescope spatial James-Webb

Vue d'artiste du James Webb Space Telescope

Caractéristiques

Organisation	NASA, ESA, ASC
Masse	~ 6 200 kg
Lancement	2018[1]
Orbite	Orbite solaire
Localisation	L2
Période	1 an

Télescope

Type	Réflecteur Cassegrain
Diamètre	6,5 m
Superficie	25 m2
Focale	131,4 m
Longueur d'onde	Infrarouge proche et moyen

Informations générales

Le télescope spatial James-Webb (James Webb Space Telescope ou JWST, anciennement appelé « Next Generation Space Telescope », NGST), est un télescope spatial développé par la NASA avec le concours de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de l'Agence spatiale canadienne (CSA). Il doit succéder en 2018^[2] au télescope spatial Hubble pour l'observation dans l'infrarouge^[3] mais ne permet pas, comme celui-ci, d'observer le spectre lumineux dans l'ultraviolet et en lumière visible.

JWST est un télescope qui effectue ses observations dans l'infrarouge. D'un poids de 6 200 kilogrammes, il est doté d'un miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre contre 2,4 mètres pour Hubble^[4],[3] : son pouvoir de résolution atteint 0,1 seconde d'arc dans l'infrarouge (0,6' à 27 microns de longueur d'onde) et il peut collecter une image 9 fois plus vite que Hubble. La résolution de ses instruments doit être utilisée, entre autres, pour observer les premières étoiles et galaxies qui se sont formées après le Big Bang^[3].

Le projet, qui a été renommé en 2002 au nom du second administrateur de la NASA James E. Webb, est en 2009 en fin de phase de conception et début de phase de fabrication. Le télescope doit être lancé par une fusée Ariane 5 depuis Kourou et sera positionné au point de Lagrange L2 à 1,5 million de km de la Terre^[5]. Pour conserver cette position il est prévu que l'observatoire corrige périodiquement sa position à l'aide de petites poussées. Les réserves de combustibles prévues à cette fin doivent lui permettre de rester fonctionnel, en position, une dizaine d'années^[5].

Objectifs scientifiques

Les quatre principaux objectifs scientifiques du JWST sont^[6] :

• la recherche de la lumière des premières étoiles et galaxies qui sont apparues dans l'univers après le big bang,
• l'étude de la formation de la galaxie et de son évolution ;
• la compréhension des mécanismes de formation des étoiles ;
• l'étude des systèmes planétaires et de la formation de la vie.

Tous ces objectifs sont remplis de manière plus efficace en étudiant le rayonnement infrarouge que la lumière visible. Le décalage vers le rouge, la présence de poussières et la température très faible de la majorité des objets étudiés nécessitent que le télescope fasse ses observations dans l'infrarouge sur une longueur d'ondes comprise entre 0,6 et 28 microns. Pour que ces mesures ne soient pas perturbées par les émissions dans l'infrarouge en provenance du télescope lui-même et de ses instruments, l'ensemble doit être maintenu dans une gamme de températures inférieure à 55 K^[3] (aux alentours de 40 K, soit -233,15 °C).

À cet effet le télescope comporte un vaste bouclier thermique métallisé qui renvoie les rayons infrarouges en provenance du Soleil, de la Terre et de la Lune. Le JWST sera positionné au point de Lagrange L2 ce qui permet au télescope d'avoir systématiquement le bouclier thermique entre ses capteurs et les 3 astres^[7].

Le télescope JWST prend le relais du télescope spatial Hubble qui arrivera en fin de vie au moment de son lancement^[3]. Il ne couvre toutefois qu'une partie du spectre lumineux dans le visible que pouvait observer son prédécesseur.

Déroulement de la mission

Position du point de Lagrange L2, sur lequel sera positionné le télescope

D'une masse d'environ 6 200 kg, l'observatoire spatial doit être mis en orbite en juin 2018 par une Ariane 5 ECA depuis le centre spatial de Kourou en Guyane française. Après avoir rejoint le point de Lagrange L2 distant de 1,5 million km de la Terre, il doit subir une phase de test de 6 mois destinée à vérifier le fonctionnement de ses instruments et les étalonner. Le télescope entamera alors sa mission scientifique. Il est prévu que sa durée de vie soit au minimum de 5 ans mais son fonctionnement peut être prolongé au-delà de cette durée et le télescope a été conçu à cet effet.

Contrairement au télescope spatial Hubble situé à 600 km d'altitude seulement, il n'est pas prévu de réaliser des opérations maintenance ou de correction en cas d'erreur de conception. Son éloignement empêche toute intervention humaine.

Historique

Le développement du télescope, à l'époque baptisé « Next Generation Space Telescope » (NGST) est envisagé par la NASA depuis de nombreuses années mais n'a été lancé qu'en 2002 avec une date de mise en service prévue en 2010. À cette époque il a été rebaptisé « James Webb Space Telescope », en hommage au second administrateur de la NASA, James E. Webb^[8].

Caractéristiques

Taille du miroir primaire comparée à celle du télescope Hubble

Le télescope comprend 4 sous-ensembles :

• la plate-forme (ou bus) qui regroupe toutes les fonctions de support : contrôle et maintien de l'orbite, alimentation électrique, contrôle thermique et communications avec la Terre et entre les équipements de l'observatoire ;
• le bouclier thermique qui doit protéger les parties les plus sensibles du télescope des infrarouges en provenance du Soleil, de la Terre et de la Lune ainsi que de ses propres équipements ;
• le télescope qui collecte le rayonnement infrarouge et le renvoie vers les instruments scientifiques ;
• la charge utile qui porte l'appellation d'ISIM (Integrated Science Instrument Module) et a la forme d'un boitier quadrangulaire dans lequel sont regroupés les 4 instruments scientifiques qui doivent analyser le rayonnement infrarouge collecté.

La plate-forme

L'observatoire s'articule autour de la plate-forme qui comprend les panneaux solaires pour produire l'énergie électrique, les petits moteurs-fusées et les réservoirs d'ergols qui permettent à l'observatoire spatial de corriger son orbite et participent au pointage du télescope, les antennes permettant de recevoir les instructions depuis la Terre et de renvoyer les données scientifiques et les paramètres de fonctionnement, l'électronique et l'informatique qui gère le fonctionnement du télescope et enfin un système de réfrigération utilisé pour refroidir un des instruments. Le contrôle de l'orientation est primordial pour effectuer les observations de longue durée qui exigent une précision de 0,01µrad^[9].

Le bouclier thermique

Le bouclier thermique est composé d'une grande surface de forme hexagonale allongée, de la taille d'un court de tennis constitué de 6 couches de polymère métallisé. Un ensemble de poutrelles et de câbles permet son déploiement une fois le télescope en orbite. Il divise l'observatoire spatial en deux parties : une partie chaude exposée au rayonnement en provenance du Soleil de la Terre et de la Lune. De ce côté se trouve également la plate-forme qui est elle-même une source d'infrarouge. La partie froide sur l'autre face du bouclier thermique comprend le télescope et les instruments scientifiques. Le bouclier permet également de réduire les variations thermiques qui pourraient déformer le miroir primaire^[10].

Le télescope

Six des 18 éléments du miroir primaire en cours de finition

La partie optique comprend 2 miroirs. Le réflecteur primaire d'un diamètre de 6,5 m environ (au lancement du projet il était prévu un miroir de 8 m^[11].) et d'une masse de 705 kg, qui se compose de 18 éléments hexagonaux en béryllium, un peu moins de trois fois le diamètre du télescope Hubble (2,4 m). Son pouvoir de résolution atteint 0,1 seconde d'arc dans le domaine infrarouge (0,6' à 27 microns de longueur d'onde). Contrairement à Hubble il ne permet pas d'observer le spectre lumineux dans l'ultraviolet et le visible. Il est lancé replié pour tenir sous la coiffe de la fusée. Le miroir secondaire concentre la lumière du miroir primaire et la renvoie vers les instruments stockés dans l'ISIM. Le miroir primaire, qui a une surface 6 fois plus importante que Hubble permet au télescope de collecter 9 fois plus vite une image que son prédécesseur^[12].

Le béryllium a été retenu parce que c'est un métal résistant, léger et d'une bonne tenue mécanique aux températures très froides prévues. La couche de béryllium est épaisse de 1 mm ce qui permet de limiter la masse totale du miroir primaire à 625 kg contre 1 tonne pour le miroir en verre de Hubble. L'optique est optimisée pour le proche et le moyen infrarouge mais permet de recueillir une partie des rayonnements du spectre visible^[13].

Les instruments scientifiques

L'ISIM comprend 3 instruments principaux et un instrument secondaire :

• NIRCam (Near-InfraRed Camera) est une caméra grand champ fonctionnant dans le proche infrarouge de 0,6 à 5 µm ;
• NIRSpec (Near-InfraRed Sprectrometer) : est un spectromètre multi-objets fonctionnant dans le proche infrarouge de 1 à 5 µm ;
• MIRI (Mid InfraRed Instrument) : est un ensemble comportant une caméra et spectromètre fonctionnant dans l'infrarouge moyen de 5 à 28 µm ;
• le FGS (Fine Guidance System), système de guidage fin (par une caméra mesurant la position d'une étoile 16 fois par seconde), inclut un filtre imageur dans le proche infrarouge couvrant les longueurs d'ondes de 0,6 à 5 µm.

Financement du projet

Une maquette à l'échelle 1 devant l'équipe projet

En 2005, le cout total du projet était estimé à 4,5 milliards de dollars dont 3,3 milliards pour la conception, la construction, le lancement et la mise en marche et environ 1 milliard pour la phase opérationnelle estimée à 10 ans^[14].

L'Agence Spatiale Européenne ESA contribue à hauteur de 300 millions d'euros^[15]. Ce budget comprend :

• la prise en charge du lancement par une fusée Ariane 5 ;
• la réalisation de l'imageur MIRI développé sous maitrise d'œuvre du CNES ;
• la réalisation de l'instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) développé par Astrium.

L'agence spatiale canadienne contribue au projet à hauteur de 39 millions de dollars canadiens. Le Canada doit développer l'instrument FGS (Fine Guidance Sensor)^[16].

En 2009, le coût du projet a été revu à la hausse. Il est établi à environ 3,5 milliards d'euros (4,92 milliards de dollars. À ce titre il est parfois jugé trop important, car il grève les budgets des agences spatiales qui, faute de moyens extensibles, retardent d'autres programmes^[5].

Le projet est cependant compromis en 2011 par la réduction du financement américain^[17].

Avancement du projet

Le programme JWST se trouve dans la phase finale de conception et de fabrication (Phase C). Le télescope a réussi en mars 2010 la revue critique de conception qui confirme la capacité de l'instrument et du satellite à remplir ses objectifs scientifiques. Les 18 éléments du miroir primaire sont dès à présent en cours d'achèvement. La fabrication de la structure qui supporte le miroir est bien avancée. Les modèles de vol des trois instruments principaux doivent être livrés début 2012 pour l'intégration et les tests du télescope entier^[18].

Northrop Grumman est l'industriel chef de file pour la construction du télescope. Le miroir est fourni par la firme américaine Ball Aerospace. Les instruments sont développés par un grand nombre de laboratoires de recherche répartis dans le monde entier. En outre, son coût devrait dépasser de 30% (1,5 milliard de dollars) les précédentes estimations^[19].

Notes et références

Notes

Références

Annexes

Bibliographie

Francophone

• Robert Irion, « Le télescope spatial James Webb, un observatoire origami », dans [Pour la Science], n^o 398, décembre 2010, p. 41-46 
• Françoise Combes, « Et si notre monde était né d'un trou noir », dans [Sciences et Avenir], avril 2010 

Autres sources

• Maggie Masetti; Anita Krishnamurthi, « JWST Science », NASA, 2009
• Maggie Masetti; Anita Krishnamurthi, « Why does JWST need to be at L2 », NASA, 2009
• Webb Telescope Passes Mission Milestone, NASA, 2002

Voir aussi

• Grands observatoires (NASA)
• James Webb

Liens externes

• (en) Site officiel de la NASA
• Page du CNES sur le télescope et plus particulièrement sur la participation du CNES à l'instrument MIRI
• Article d'aout 2008 dans la revue Astronomie

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