Voici ce que le télescope spatial James Webb visera ensuite

Le monde s'est réuni la semaine dernière dans un rare spectacle d'unité internationale pour regarder avec émerveillement les premières images scientifiques produites par le télescope spatial James Webb. Des décennies de fabrication et le résultat des efforts de milliers de personnes du monde entier, le télescope est sur le point de révolutionner l'astronomie en nous permettant de scruter le cosmos plus profondément que jamais auparavant.

Webb possède le plus grand miroir jamais lancé dans l'espace, ainsi que le plus grand pare-soleil, et c'est le télescope spatial le plus puissant jamais construit. Les premières images ne sont qu'un avant-goût de ce que cette technologie remarquable est capable de faire. Donc, pour en savoir plus sur les futures recherches scientifiques qui seront rendues possibles par ce mastodonte, nous avons parlé à Mark McCaughrean, scientifique interdisciplinaire Webb à l'Agence spatiale européenne.

McCaughrean sera l'un des premiers chercheurs à utiliser Webb pour son travail sur la nébuleuse d'Orion , et il a été impliqué dans la planification du télescope pendant plus de 20 ans. Il nous a tout dit sur la façon dont Webb repoussera les frontières de l'astronomie et permettra des découvertes que nous n'avons même pas commencé à imaginer.

Voir l'univers en infrarouge

Lorsque les astronomes ont commencé à imaginer Webb dans les années 1980, ils avaient un plan précis en tête : ils voulaient un outil de recherche en cosmologie pour étudier les premières galaxies de l'univers.

Les scientifiques savaient que ces premières galaxies étaient là-bas et étaient sur le point de nous être accessibles parce que le télescope spatial Hubble avait observé quelques galaxies assez anciennes. En regardant dans la longueur d'onde de la lumière visible, Hubble a pu identifier des centaines de ces galaxies, qui se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang. Mais ces galaxies s'étaient déjà formées, et les chercheurs voulaient regarder encore plus loin, pour les voir se former réellement.

Pour ce faire, ils avaient besoin d'un outil capable de regarder dans la longueur d'onde infrarouge, au-delà de la lumière visible. C'est parce que les premières galaxies émettaient de la lumière visible, tout comme les galaxies le font aujourd'hui. Mais l'univers s'étend avec le temps, et cela signifie que les galaxies que nous voyons dans le ciel s'éloignent de nous. Plus la galaxie est ancienne, plus elle est éloignée. Et cette distance provoque un phénomène appelé redshift.

Semblable à l'effet Doppler, dans lequel les sons changent de hauteur perçue à mesure que la distance entre la source et l'observateur change, la longueur d'onde de la lumière change à mesure que sa source s'éloigne de nous. Cette lumière est décalée vers l'extrémité la plus rouge du spectre, d'où le nom de redshift.

Les galaxies les plus anciennes ont donc une lumière tellement décalée vers le rouge qu'elle n'est plus observable en tant que lumière visible. Au lieu de cela, il est visible en infrarouge – et c'est la longueur d'onde dans laquelle Webb opère.

C'est ainsi que Webb est capable de détecter et d'identifier les toutes premières galaxies. Si Webb peut voir une galaxie qui brille fortement dans l'infrarouge, mais qui est faible ou invisible pour les télescopes principalement basés sur la lumière visible comme Hubble, alors les chercheurs peuvent être sûrs d'avoir trouvé une galaxie qui est extrêmement décalée vers le rouge – ce qui signifie qu'elle est très loin, et donc très vieux.

Même dans la première image en champ profond de Webb, vous pouvez voir des galaxies extrêmement anciennes. L'amas de galaxies au centre de l'image a 4,6 milliards d'années, mais en raison de sa masse, il courbe l'espace-temps autour de lui. Cela signifie que la lumière provenant des galaxies derrière cet amas est également courbée, de sorte que l'amas agit comme une loupe dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Certaines des galaxies observées dans ce champ profond ont environ 13 milliards d'années, ce qui signifie qu'elles se sont formées au cours du premier milliard d'années de l'univers.

Développer pour en faire plus

Si Webb a été conceptualisé à l'origine comme un outil de cosmologie, cependant, il s'est rapidement étendu pour devenir bien plus que cela.

Après des décennies de planification pour Webb, les concepteurs ont réalisé que l'outil qu'ils construisaient pouvait être utilisé dans des domaines bien plus divers que la simple cosmologie. Ils ont ajouté de nouveaux instruments, comme MIRI, qui regarde dans la longueur d'onde de l'infrarouge moyen plutôt que dans le proche infrarouge et est plus utile pour étudier la formation des étoiles et des planètes que la cosmologie. Cette différence apporte son propre défi car cet instrument a des détecteurs différents des autres instruments et nécessite son propre refroidisseur . Mais, avec d'autres instruments, il étend ce que Webb peut faire dans toute une gamme de possibilités.

"La focalisation initiale du télescope était beaucoup plus sur l'univers à décalage vers le rouge élevé", a résumé McCaughrean. "C'était l'objectif le plus élevé, trouver ces premières étoiles et galaxies qui se sont formées après le Big Bang. Tout le reste après cela est un "agréable à avoir". Mais au fil de l'avancement du projet, nous avons réussi à le transformer en quatre thèmes : la cosmologie, la formation des étoiles, la science planétaire et l'évolution des galaxies. Et nous nous sommes assurés que l'observatoire serait capable de tout cela.

Caméras et spectrographes

Webb a quatre instruments à bord : la caméra proche infrarouge ou NIRCam, le spectrographe proche infrarouge ou NIRSpec, l'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente ou NIRISS, et l'instrument infrarouge moyen ou MIRI. Il existe également un capteur appelé capteur de guidage fin (FGS), qui aide à orienter le télescope dans la bonne direction.

Les instruments sont un mélange de caméras et de spectrographes, qui sont des instruments pour diviser la lumière en différentes longueurs d'onde afin que vous puissiez voir quelles longueurs d'onde ont été absorbées. Cela vous permet de voir de quoi un objet est composé en regardant la lumière qu'il dégage.

Alors que les images prises par les caméras attirent le plus l'attention du public, les spectrographes ne doivent pas être sous-estimés en tant qu'outil scientifique. Environ la moitié du temps d'observation actuellement alloué est consacrée à la spectroscopie, pour des tâches telles que l'analyse de la composition des atmosphères d'exoplanètes. C'est en partie parce qu'il faut plus de temps pour prendre le spectre d'un objet que pour en prendre une image, et en partie parce que la spectroscopie peut faire des choses que l'imagerie ne peut pas.

Les caméras et les spectrographes fonctionnent également ensemble, car les filtres utilisés en imagerie sont utiles pour sélectionner les objets à étudier avec les spectrographes.

"Imaginez que vous faites un champ profond, prenant des images profondes avec NIRCam", a expliqué McCaughrean. «Ensuite, vous utilisez différents filtres pour sélectionner les candidats, car il y aura beaucoup trop de choses à examiner dans ce domaine un par un avec la spectroscopie. Vous avez donc besoin de l'imagerie pour trouver les candidats », par exemple en regardant les couleurs d'une image pour décider qu'un objet donné est, par exemple, une galaxie à décalage vers le rouge élevé et non une faible étoile proche.

Cela a déjà été démontré dans la pratique, avec la première image en champ profond de Webb . L'imagerie a été réalisée avec la caméra NIRCam, qui a pu capter un grand nombre de galaxies proches et lointaines dans une image époustouflante. Ensuite, des cibles particulières, comme une galaxie de plus de 13 milliards d'années , ont été choisies et observées avec le spectrographe NIRSpec, recueillant des données sur la composition et la température de cette galaxie primitive.

"C'est un spectre tellement beau et propre", a déclaré McCaughrean. "Personne n'a jamais rien vu de tel auparavant de nulle part. Nous savons donc maintenant que cette machine fonctionne incroyablement puissamment.

Modes multiples

Pour comprendre toutes les capacités de Webb, vous devez savoir que les quatre instruments n'ont pas qu'un seul mode chacun – ils peuvent être utilisés de plusieurs façons pour regarder différentes cibles. Au total, il y a 17 modes entre les quatre instruments, et chacun d'eux a dû être testé et vérifié avant que le télescope ne soit déclaré prêt à commencer les opérations scientifiques.

Par exemple, prenez l'instrument NIRspec. Il peut effectuer plusieurs types de spectroscopie, y compris la spectroscopie à fente fixe, qui est un mode très sensible pour étudier des cibles individuelles (comme l'analyse de la lumière émise par la fusion d'étoiles à neutrons appelée kilonova), ou la spectroscopie d'unité de champ, qui examine les spectres pour plusieurs pixels sur une petite zone pour obtenir des informations contextuelles sur une cible (comme regarder une galaxie extrêmement éloignée qui a été déformée par une lentille gravitationnelle).

Le troisième type de spectroscopie que NIRSpec fait est quelque chose de vraiment spécial appelé spectroscopie multi-objets. Il utilise de minuscules volets en forme de fenêtre disposés dans un format appelé réseau de micro-obturateurs. «Il s'agit essentiellement de petits appareils de quelques centimètres de diamètre, dont nous en avons quatre. Dans chacun de ces appareils, il y a 65 000 petits volets individuels », a déclaré McCaughrean.

Chacun de ces volets peut être contrôlé individuellement pour s'ouvrir ou se fermer, permettant aux chercheurs de sélectionner les parties d'un champ qu'ils examinent. Pour utiliser ces microobturateurs, les chercheurs prennent d'abord une image à l'aide d'un autre instrument comme NIRCam pour sélectionner les objets d'intérêt. Puis ils commandent l'ouverture des volets correspondant à ces objets d'intérêt, tandis que les autres restent fermés.

Cela permet à la lumière des cibles, telles que des galaxies particulières, de briller à travers les détecteurs du télescope, sans laisser également passer la lumière de l'arrière-plan. "En n'ouvrant que la porte où se trouve la galaxie et en fermant toutes les autres portes, lorsque la lumière provient de cet objet, elle se propage dans un spectre, et vous n'avez pas toutes les autres lumières qui passent", a déclaré McCaughrean. . "Cela le rend plus sensible."

Cette spectroscopie multi-objets peut être utilisée pour observer des galaxies particulières dans des images en champ profond, ce qui est particulièrement utile pour étudier les premières galaxies fortement décalées vers le rouge. Et cette méthode est capable d'obtenir les spectres de jusqu'à 100 objets à la fois, ce qui en fait un moyen très efficace de collecter des données.

Faire face à trop de lumière

Comme le démontrent les micro-obturateurs, une partie délicate du travail avec des instruments très sensibles consiste à gérer trop de lumière. Prenez le travail que James Webb fera sur Jupiter au cours de ses premiers mois de fonctionnement – il est en fait très difficile d'imaginer les anneaux et les lunes autour de Jupiter car la planète elle-même est si brillante. Si l'objet faible que vous essayez d'observer est à côté d'un objet très brillant, il peut souffler vos lectures de sorte que tout ce que vous voyez est la lumière de l'objet le plus brillant.

Un problème similaire se pose lorsque vous essayez d'observer des exoplanètes lointaines, qui sont très sombres par rapport aux étoiles autour desquelles elles orbitent. Pour relever ce défi, James Webb a un autre tour dans sa manche appelé coronographie.

NIRCam et MIRI ont tous deux des modes de coronographie, dont la forme la plus simple consiste à placer un petit disque métallique devant l'objet lumineux pour bloquer sa lumière. Ensuite, vous pouvez observer plus facilement les autres sources de lumière plus faibles qui l'entourent. Mais cette approche a ses limites : si l'objet brillant se déplace derrière le disque, sa lumière peut déborder sur les bords et ruiner les observations. Vous pouvez réduire la taille du disque afin qu'il bloque uniquement le point central le plus brillant de l'objet, mais vous auriez alors encore beaucoup de lumière en excès à gérer. Vous pourriez agrandir le disque, mais il bloquerait alors les autres objets proches de l'objet lumineux.

Il existe donc une autre forme de ce mode de coronographie qui utilise du matériel appelé le masque de phase à quatre quadrants. "C'est une optique très intelligente", a déclaré McCaughrean. « Il n'a pas de disque métallique, mais il a quatre morceaux de verre différents qui confèrent différentes phases à la lumière entrante. Lorsque nous considérons la lumière comme une onde plutôt que comme des photons, la lumière a une phase. Si vous placez la source lumineuse juste sur la croix où ces quatre plaques de phase différentes se rencontrent, vous pouvez faire en sorte que la lumière s'annule réellement de l'étoile, en raison de l'effet d'interférence des ondes.

Cela signifie que si vous l'alignez juste pour que l'objet brillant soit exactement au milieu de ces quadrants, la lumière de l'étoile sera annulée, mais la lumière d'autres objets comme les planètes sera toujours visible. Cela le rend idéal pour observer les exoplanètes en orbite près de leurs étoiles hôtes qui pourraient autrement être impossibles à voir.

Profiter du temps

Une autre façon de gérer un mélange d'objets lumineux et sombres consiste à effectuer plusieurs lectures au fil du temps. Contrairement à quelque chose comme votre téléphone, qui prend une photo puis se réinitialise immédiatement, les détecteurs de Webb peuvent prendre plusieurs lectures sans se réinitialiser.

"Ainsi, nous pouvons prendre une série de photos au fil du temps avec le même détecteur, car il accumule la lumière des sources faibles", explique McCaughrean. "Mais lorsque nous examinons les données, nous pouvons utiliser les premières images pour les sources lumineuses avant qu'elles ne saturent, puis continuer à accumuler de la lumière à partir des sources faibles et obtenir la sensibilité. Il étend efficacement la plage dynamique en lisant les détecteurs plusieurs fois. »

Un autre mode dans lequel les instruments peuvent fonctionner est appelé observations de séries chronologiques, qui consiste essentiellement à prendre de nombreuses lectures les unes après les autres pour capturer des objets qui changent au fil du temps. C'est utile pour capturer des objets qui clignotent, tels que des étoiles à neutrons pulsées appelées magnétars, ou pour observer des exoplanètes qui se déplacent sur la face de leur étoile hôte dans un mouvement appelé transit.

"Lorsqu'une planète transite devant l'étoile, vous voulez l'attraper aux bords du transit ainsi qu'au milieu du transit", a déclaré McCaughrean. "Donc, vous continuez à le regarder et vous continuez à prendre des données."

L'un des défis de cette méthode est qu'elle nécessite que le télescope reste dans un alignement presque parfait car s'il se déplaçait même légèrement, cela introduirait du bruit dans les données. Mais la bonne nouvelle est que le télescope fonctionne extrêmement bien en termes de pointage vers un objet et de maintien en place, grâce au capteur de guidage fin qui se verrouille sur les étoiles proches et s'adapte à toute perturbation telle que les vents solaires.

Les défis de travailler avec Webb

Comme pour toute technologie, il existe des limites à ce que Webb peut faire. L'une des grandes limitations pratiques pour les scientifiques utilisant Webb est la quantité de données qu'ils peuvent collecter à partir du télescope. Contrairement à Hubble, qui orbite autour de la Terre, Webb orbite autour du soleil à une position appelée L2 .

C'est à environ 1 million de kilomètres de la Terre, donc Webb est équipé d'une puissante antenne radio qui peut renvoyer des données vers la Terre à un débit de 28 mégabits par seconde. C'est assez impressionnant – comme l'a souligné McCaughrean, c'est beaucoup plus rapide que le Wi-Fi de son hôtel que nous utilisions pour parler, même sur une distance beaucoup plus grande – mais ce n'est pas proche de la quantité totale de données que les instruments peuvent prendre par seconde.

L'observatoire dispose d'une petite quantité de stockage à semi-conducteurs, environ 60 Go , qui peut enregistrer des données pendant une courte période si les instruments collectent plus de données qu'il n'est possible de les renvoyer, agissant comme un tampon. Cela peut ne pas sembler beaucoup par rapport au type de stockage que vous obtenez généralement sur un téléphone ou un ordinateur portable, mais les exigences en matière de matériel sans danger contre les radiations et pouvant résister à des décennies d'utilisation sont assez différentes.

Cette limitation signifie que les chercheurs doivent être sélectifs quant aux données qu'ils priorisent dans les liaisons descendantes du télescope, en choisissant uniquement les données les plus vitales pour leurs besoins. Vous vous demandez peut-être pourquoi Webb n'est pas positionné plus près de la Terre dans ce cas, mais l'orbite L2 est essentielle à son fonctionnement – et la raison en est due aux températures.

"Les gens pensent que l'espace est froid, eh bien, pas si vous êtes à côté d'un gros objet qui vous réchauffe tous les jours comme la Terre ou le soleil", a déclaré McCaughrean. "Donc, si vous voulez regarder dans l'infrarouge, vous devez vous assurer que votre télescope est incroyablement froid, afin qu'il n'émette pas aux longueurs d'onde que vous essayez de détecter." C'est pourquoi Webb a un énorme pare-soleil pour aider à le garder au frais, et pourquoi il est à L2 afin que le pare-soleil puisse bloquer la chaleur du soleil et de la Terre.

«Nous avons construit un observatoire qui doit être au L2, il doit être là pour se refroidir, afin qu'il puisse fournir cette science. Et parce que c'est en L2, nous n'avons qu'une certaine bande passante », a expliqué McCaughrean. "Il n'y a pas de repas gratuit, disons-le ainsi."

La commune décide

La première année d'observations de Webb est soigneusement planifiée. Au cours des cinq premiers mois d'opérations scientifiques, il travaillera sur des programmes scientifiques à diffusion anticipée , qui sont ceux conçus pour repousser les limites du matériel de Webb et voir de quoi il est capable. Au cours de sa première année, il travaillera sur des programmes qui ont été sélectionnés pour le cycle 1 , y compris la recherche sur les exoplanètes, les trous noirs, les champs profonds, etc.

Au-delà de cela, cependant, les travaux futurs à effectuer à l'aide de Webb sont largement ouverts. Les chercheurs soumettent des propositions sur les données qu'ils souhaitent collecter à l'aide de Webb, et ces propositions sont examinées par des pairs pour sélectionner celles qui sont les plus scientifiquement intéressantes. "La communauté décide de ce qui se fait avec l'observatoire", a déclaré McCaughrean.

Cette implication de la communauté a déjà changé la façon dont Webb est utilisé – par exemple, la recherche sur les exoplanètes occupe actuellement environ un tiers du temps d'observation disponible lors du premier cycle de recherche. Lorsque McCaughrean et ses collègues planifiaient comment Webb pourrait être utilisé au début des années 2000, ils n'imaginaient pas qu'il y aurait autant de recherches sur les exoplanètes, car si peu d'exoplanètes avaient été découvertes à cette époque.

Cela différencie Webb des missions à vocation très précise, comme l'observatoire Gaia de l'ESA, qui est conçu spécifiquement pour faire une carte 3D de la galaxie, et plus comme Hubble, qui a été conçu pour répondre à de nombreux besoins de recherche. "C'est très certainement un observatoire à usage général", a déclaré McCaughrean. "Il suffit de regarder Hubble et son évolution au fil des ans. En partie en installant de nouveaux instruments, mais surtout grâce à la communauté scientifique qui décide qu'il y a différentes priorités et différents domaines qui doivent être traités.

Cette flexibilité est possible car Webb est conçu pour être utile à la recherche dans de nombreux domaines, y compris des applications auxquelles nous n'avons pas encore pensé. Webb devrait durer au moins 20 ans, et nous avons à peine commencé à explorer ce qu'il pourrait faire pendant cette période.

« C'est ce qui est excitant. Si vous construisez un observatoire polyvalent très puissant et très performant, il est à bien des égards limité uniquement par la créativité de la communauté », a déclaré McCaughrean. "Webb est ce que nous en faisons maintenant."