Le télescope James Webb de la NASA lance un moment décisif pour les astronomes anxieux

Le technicien en optique de Ball Aerospace, Scott Murray, inspecte le premier segment de miroir primaire en or.

NASA/MSFC/David Higginbotham

À l’heure actuelle, les astronomes du monde entier transpirent, serrent les dents et touchent du bois chaque fois que quelqu’un mentionne un télescope très spécial – le télescope spatial James Webb. Cette machine ne ressemble à aucune autre.

Même si nous, le coin conscient de l’univers, avons cartographié des étoiles, des galaxies et des trous noirs d’une échelle presque insondable, une région infiniment grande est restée invisible aux yeux humains. Il y a vingt ans, une équipe d’ingénieurs aérospatiaux a commencé à construire Webb comme un moyen hyper complexe de dépasser nos restrictions purement mortelles.

Le segment de miroir primaire ETU (engineering test unit) du télescope spatial James Webb retourne à la salle blanche de la NASA Goddard.

Le segment de miroir primaire ETU (engineering test unit) du télescope spatial James Webb retourne à la salle blanche de la NASA Goddard.

NASA/Chris Gunn

« J’ai entendu une personne dire que c’était une bonne chose que de nombreux jeunes y travaillent, car ils ne savent tout simplement pas à quel point [building] ce sera le cas », a déclaré Alison Nordt, directrice des sciences spatiales et de l’instrumentation chez le géant de l’aérospatiale Lockheed Martin, qui fait partie de l’équipe Webb depuis le début.

Deux décennies, plus de 10 milliards de dollars, une série de retards et un puits sans fin d’artisanat brillant plus tard, le télescope le plus grand et le plus puissant jamais construit par la NASA approche enfin de sa date de lancement.

Toutes les personnes impliquées se trouvent à la croisée de l’excitation et de l’anxiété.

Jake Lewis de Ball Aerospace se reflète dans l'un des miroirs du réseau de télescopes spatiaux James Webb qui se trouvait dans l'installation de radiographie et de cryogénie pour les tests.

Jake Lewis de Ball Aerospace se reflète dans l’un des miroirs du réseau de télescopes spatiaux James Webb qui se trouvait dans l’installation de radiographie et de cryogénie pour les tests.

NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Donné

« Je ne peux pas vous dire combien de nuits je me réveillerais juste pour savoir, comment puis-je tolérer un boulon pour m’assurer qu’il est suffisamment droit pour que je puisse le mettre dans le trou très, très serré dans lequel je dois le mettre, encore le rendre manufacturable ? » dit Nordt. Et ces boulons ne peuvent pas du tout s’ébrécher, même aux températures glaciales que Webb connaîtra dans l’espace. La mécanique de ce télescope est précis.

Lorsque vous prenez en considération l’examen minutieux de chaque détail mineur par cet observatoire de pointe, il s’agit essentiellement d’une œuvre d’art. “Nous avons appris à lier des optiques monocristallines qui survivraient à des températures cryogéniques”, a déclaré Nordt. « Je veux dire, personne ne pensait que cela pouvait être fait. Il y a des exemples comme ça dans tout l’observatoire.

En projetant de la neige carbonique à la surface, les ingénieurs sont capables de nettoyer les grands miroirs des télescopes sans les rayer.

En projetant de la neige carbonique à la surface, les ingénieurs sont capables de nettoyer les grands miroirs des télescopes sans les rayer.

NASA/Chris Gunn

Bientôt, chaque centimètre de l’ingénierie méticuleuse de Webb sera projeté dans l’espace. Après un compte à rebours très attendu, nous assisterons soit au premier jour du futur de l’astronomie, soit à la fin d’un rêve de 20 ans.

Si vous n’êtes pas encore sur le bord de votre siège, voici pourquoi vous devriez l’être.

Tout dépend de la NIRCam

Tout d’abord, le Saint Graal de Webb : la caméra proche infrarouge, ou NIRCam. Il a deux fonctions essentielles. Il dirigera la mission de données scientifiques d’une durée de 10 ans et aidera à la séquence de déploiement. “Si NIRCam ne fonctionne pas, le télescope ne fonctionne pas”, a déclaré Nordt.

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L’ingénieur de Lockheed Martin, Alison Nordt, travaille sur la NIRCam de Webb.

Lockheed Martin

Webb promet de fournir un regard neuf sur l’univers car il peut détecter la lumière infrarouge. Invisible à l’œil humain, la lumière infrarouge occupe une place distincte sur le spectre électromagnétique de la lumière bleue visible.

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Au fur et à mesure que l’univers s’étend, les longueurs d’onde de la lumière des étoiles et des galaxies s’étirent comme des élastiques. Les vagues bleues étroites et pointues commencent à s’allonger en vagues rouges allongées et plus plates. Finalement, à mesure que ces ondes rouges deviennent encore plus longues, elles pénètrent dans la région infrarouge. Le phénomène est appelé redshift.

Parce que l’univers primitif est la partie de l’espace la plus éloignée de la Terre, les signaux qui le ramènent à notre planète sont dans la région infrarouge. Avec NIRCam, Webb détecte cette lumière et peut ainsi nous révéler une tonne d’informations sur les plus anciennes galaxies et étoiles de l’univers.

Cela nous montrera des choses que nous avons jamais Déjà vu.

Une chronologie de l'univers.

Une chronologie de l’univers. Webb nous offrira l’accès à la région avant de les âges sombres.

Nasa

De plus, le décalage vers le rouge peut nous aider à comprendre à quelle distance se trouve un objet cosmique. Les scientifiques peuvent mesurer la structure de longueur d’onde exacte d’une étoile ou d’une galaxie, la placer sur le spectre en conséquence et comparer la distance relative. Cela nous montrera “si nous avons vraiment touché quelque chose de très, très vieux ou de seulement quelques milliards d’années”, a déclaré Nordt.

Le prédécesseur de James Webb, le télescope Hubble de la NASA, possède également des capacités d’imagerie infrarouge, et les phénomènes cosmiques qu’il a capturés dans la lumière infrarouge sont d’une beauté époustouflante. Mais parce que Hubble n’a pas été conçu avec le traitement infrarouge à l’esprit, il n’a pas de très gros « collecteur de lumière », qui est essentiellement un miroir et est limité par ses réglages de température.

En quoi Webb diffère de Hubble

Le miroir principal de Hubble mesure 2,4 mètres (7,9 pieds) de diamètre, soit environ la hauteur d’un arbre de Noël domestique. Le miroir principal de Webb est presque trois fois plus grand, avec un diamètre de 6,5 mètres. En fait, le miroir Webb’s se compose en fait de 18 segments réglables pour une collecte optimale de la lumière. La NASA l’appelle à juste titre le « seau léger ».

Le miroir à 18 sections du télescope spatial James Webb.

Le miroir à 18 sections du télescope spatial James Webb.

NASA/Desiree Stover

« Quand vous parlez de n’importe quel type de télescope astrophysique, vous regardez des objets très éloignés. Et celui-ci regarde les objets les plus éloignés de l’univers », a déclaré Nordt à propos de Webb. “Il y a très peu de photons, il n’y a pas beaucoup de lumière qui en sort, et plus votre miroir primaire est grand, plus vous pouvez collecter de lumière.”

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Alison Nordt debout devant un Webb en cours.

Lockheed Martin

De plus, Hubble fonctionne à température ambiante, ce qui pose un problème distinct pour la collecte de la lumière infrarouge, car la lumière infrarouge est en fait un rayonnement thermique. Cela signifie que tout ce qui est chaud émet également de la lumière infrarouge.

“Si vous imaginez regarder un télescope la nuit de vos propres yeux et que quelqu’un vous éclaire avec un projecteur, vous ne pouvez pas très bien voir”, a déclaré Nordt. “Donc, si vous avez un télescope dédié à l’infrarouge et que vous l’avez à température ambiante, alors il est inondé par sa propre lumière, qui est sa propre chaleur.”

Webb, en revanche, est glacial à 37 Kelvin (moins 393 degrés Fahrenheit), il peut donc détecter des longueurs d’onde beaucoup plus longues et avec une plus grande clarté que Hubble.

Bien faire les rétroviseurs

Les remarquables capacités infrarouges de Webb nous amènent à la deuxième partie du travail de NIRCam. “Avant de pouvoir faire de la science, il doit s’agir d’un capteur de front d’onde”, a déclaré Nordt. « C’est le nom fantaisiste pour : il doit détecter à quel point le miroir principal est endommagé et comment le réparer. »

En ce moment, Webb est à la pointe d’une fusée Ariane 5 en Guyane française, pliée à la manière d’un origami. Une fois sorti de notre atmosphère et entré dans l’espace, il devra se refroidir à sa température de congélation et déployer ses 18 miroirs. Mais voici le problème. Les miroirs doivent aligner.

“Ils doivent tous agir comme un miroir”, a déclaré Nordt. “Quand vous le pliez, vous le secouez beaucoup, vous l’envoyez dans l’espace, vous enlevez la gravité et vous le refroidissez, il ne sera pas aligné.”

L'ingénieur optique de Ball Aerospace, Larkin Carey, connecte les fibres optiques à l'assemblage de la plaque source AOS au-dessus du miroir principal de Webb.

L’ingénieur optique de Ball Aerospace, Larkin Carey, connecte les fibres optiques à l’assemblage de la plaque source AOS au-dessus du miroir principal de Webb.

NASA/Desiree Stover

NIRCam peut détecter les signatures thermiques pour communiquer avec le contrôle au sol sur l’orientation du miroir de Webb. Alors qu’une partie de l’alignement sera effectuée de manière autonome avec des algorithmes préprogrammés, dit Nordt, d’autres parties seront probablement effectuées manuellement.

Fondamentalement, nous devons protéger NIRCam à tout prix.

Retards, données et destin

“Chaque fois que nous avons eu un échec ou quelque chose que nous ne comprenions pas, nous nous sommes arrêtés pour l’examiner et nous avons dit, d’accord, nous devons vraiment bien faire les choses parce que nous ne pouvons pas le réparer en orbite”, a déclaré Nordt. sur le dossier chargé de Webb en matière de retards de lancement.

Le retard le plus récent s’est produit juste une semaine avant la date de décollage antérieure du 22 décembre. Selon la NASA, il s’agissait d’une erreur de communication (NIRCam reste sain et sauf, selon Nordt.)

« Mon mari m’a consolé et il a dit : ‘C’est bon, c’est bon, il vaut mieux faire les choses correctement. Si cela nous coûte un Noël, ce n’est pas la fin du monde », a-t-elle déclaré. Plutôt que de foncer vers l’avant, l’équipe est extrêmement prudente pour assurer le succès de la mission. Maintenant, la NASA se concentre sur une date de lancement pour le réveillon de Noël.

Un ingénieur guide l'un des bidons contenant un segment de miroir.  Deux autres conteneurs abritant des miroirs apparaissent au premier plan.

Un ingénieur guide l’un des bidons contenant un segment de miroir. Deux autres conteneurs abritant des miroirs apparaissent au premier plan.

NASA/Desiree Stover

Lorsque Webb se lancera enfin, voici l’essentiel de ce qui se passera : une fois que la fusée a décollé de la plateforme et que la pointe tenant Webb s’ouvre, « au cours de la première journée, nous nous attendons à recevoir des signaux indiquant qu’elle a déployé les panneaux solaires. et que c’est une puissance positive », a déclaré Nordt.

« Cela signifie que les panneaux solaires sont déployés, l’antenne de communication est déployée et elle nous parle. Ce sera le premier ‘yay’.

Des chercheurs testent les panneaux solaires de Webb.

Des chercheurs testent les panneaux solaires de Webb.

NASA/Chris Gunn

Ensuite, le pare-soleil du télescope se dépliera et se mettra en place. Cette fonctionnalité, de la taille d’un court de tennis, protégera Webb de la chaleur du soleil et de la Terre pour s’assurer que NIRCam ne reçoit pas de signaux de chaleur indésirables.

Cela prendra environ un mois.

“C’est peut-être l’un des plus grands défis en orbite”, a déclaré Nordt. « Si le pare-soleil ne fonctionne pas, nous n’avons pas assez froid et aucun des détecteurs ne fonctionnera. »

Ensuite, le processus de déploiement du miroir se produira, suivi des oscillations pilotées par NIRCam pour aligner parfaitement chaque segment.

Si tout se passe comme prévu, Webb se retrouvera à un point de l’orbite terrestre connu sous le nom de deuxième point de Lagrange, ou L2. Ce point est spécial car il permet à Webb d’avoir une vision claire de l’univers, mais le pare-soleil peut tout de même le protéger de la chaleur de la Terre et du soleil.

Le pare-soleil Webb's comprend cinq de ces couches, chacune devant être précisément espacée les unes des autres.

Le pare-soleil Webb’s comprend cinq de ces couches, chacune devant être précisément espacée les unes des autres.

Systèmes aérospatiaux Northrop Grumman

Et après environ une décennie, lorsque le carburant de Webb s’épuisera, la carcasse du télescope y restera très longtemps, a déclaré Nordt. “Probablement plus longtemps que les humains vivront sur Terre.”

Nordt s’attend à ce que les premières données scientifiques utilisables de Webb arrivent en mai de l’année prochaine. En repensant à ses premiers souvenirs de travail sur le télescope pionnier, elle a dit en riant, elle suppose que «ce n’était pas incroyablement difficile, parce que nous l’avons fait. Mais c’était un gros défi. »

Une photo de groupe d'ingénieurs et de techniciens dans la salle blanche de la NASA Goddard

Une photo de groupe d’ingénieurs et de techniciens dans la salle blanche de la NASA Goddard, prise au printemps 2017, avant que le télescope ne soit transporté à la NASA Johnson pour des tests cryogéniques.

NASA/Desiree Stover