Le télescope James-Webb est le plus grand et le plus puissant télescope spatial jamais conçu. Son gigantesque bouclier thermique pliable bloquera les rayonnements du Soleil, de la Terre et de la Lune pour maintenir les instruments à -223 °C. Image : Nasa/Northrop Grumman
Attendu depuis 20 ans, le télescope spatial James-Webb sera bientôt lancé. Des milliers d’astronomes, dont plusieurs Québécois, sont impatients d’y recourir. Leurs missions : dessiner le portrait de notre univers.
Depuis les premières esquisses en 1989 jusqu’à son décollage prévu dans quelques mois, de nombreuses embûches ont entravé la conception du télescope spatial James-Webb et repoussé son départ. La date du 18 décembre 2021 sera-t-elle la bonne ?
Tout laisse croire que, ce jour-là, la fusée Ariane 5 s’envolera enfin de la base de lancement du Centre spatial guyanais de Kourou (Guyane française). Dans son ventre, le télescope issu d’une collaboration entre la NASA, l’Agence spatiale européenne et l’Agence spatiale canadienne entamera un long voyage de 1,5 million de kilomètres pour aller se poster derrière la Terre, par rapport au Soleil, soit quatre fois plus loin que la Lune.
Il sera en orbite verticale autour du point de Lagrange 2, un point virtuel d’équilibre gravitationnel. « C’est une position assez stable dans le système Soleil-Terre », précise Nathalie Ouellette, coordonnatrice scientifique canadienne du télescope.
Si James-Webb est le petit frère du bien connu télescope Hubble, il le dépasse sur le plan de la grandeur. « Son miroir [plaqué or] est trois fois plus grand que celui d’Hubble. Il mesure 6,5 m de diamètre et l’écran qui le protège du Soleil est aussi grand qu’un terrain de tennis », décrit Mme Ouellette, qui est également coordonnatrice de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), qui regroupe des chercheurs de l’Université de Montréal et de l’Université McGill.
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Sur la ligne de départ: Cinq chercheurs québécois qui pourront utiliser le télescope James-Webb
Au total, 286 scientifiques dans le monde auront la chance d’être les premiers à utiliser le télescope spatial James-Webb. Leurs projets se sont démarqués parmi les 1 200 déposés au comité d’attribution du temps d’observation, qui comprend près de 200 experts de la communauté astronomique mondiale. Cinq chercheurs québécois font partie de la sélection.
Ce sera d’ailleurs l’observatoire le plus imposant et le plus puissant jamais envoyé dans le cosmos ; son coût total devrait tourner autour de 10 milliards de dollars américains. « Un plus grand miroir signifie qu’on va capter plus de lumière et observer des objets plus lointains et moins brillants. Ce seront nos meilleurs yeux dans l’espace », selon Nathalie Ouellette.
C’est en raison de cette taille impressionnante que l’observatoire opérera une chorégraphie hors du commun durant les deux premières semaines de son voyage : il se déploiera tout en filant vers sa destination. Étant trop grand pour entrer dans le lanceur de la fusée, il a fallu le replier sur lui-même, comme une pièce d’origami. Cette étape n’est pas sans risque ; on l’appelle d’ailleurs les « 14 jours de la terreur » ! « Le déploiement, c’est ce qui nous stresse le plus : près de 200 manœuvres distinctes seront effectuées sur le télescope afin de l’ouvrir complètement. Ce sont 200 occasions pour que quelque chose ne fonctionne pas ! » plaisante à moitié l’astrophysicienne.
Pour elle, les difficultés rencontrées dans les phases d’essai hissent James-Webb dans la catégorie du nec plus ultra : ces obstacles l’ont rendu plus robuste (en plus de faire exploser le budget !) « On n’aura pas le luxe d’envoyer des astronautes pour le réparer, comme cela a été fait pour Hubble », avoue-t-elle. En effet, il sera tout simplement hors de portée.
Deux yeux canadiens
Une fois le point de Lagrange 2 atteint, « de cinq à six mois seront nécessaires au refroidissement du télescope, à sa mise en service, à l’alignement des miroirs et aux tests des instruments », éclaire Nathalie Ouellette. Puis, l’observatoire spatial commencera à scruter le ciel vers l’été 2022. Les astronomes rêvent que les missions de James-Webb et d’Hubble se recoupent. « Il y a beaucoup de complémentarité entre les deux télescopes, car Hubble observe la lumière visible, tandis que James-Webb voit dans l’infrarouge. Ils peuvent regarder le même objet et recueillir des informations différentes », rapporte la coordonnatrice.
Quatre instruments scientifiques lui permettront de le faire : la Near Infrared Camera (NIRCam), le spectromètre NIR-Spec, la caméra-spectromètre MIRI et, enfin, la caméra guide FGS-NIRISS. Cet instrument « deux en un » a été conçu au Canada. Les deux « yeux » de NIRISS, un imageur dans le proche infrarouge et un spectrographe, seront chargés de découvrir et d’étudier les planètes et les galaxies les plus lointaines de l’espace. « James-Webb pourra déterminer la composition de l’atmosphère des exoplanètes et essayer de trouver des biosignatures, donc potentiellement des signes de vie extraterrestre », avance Nathalie Ouellette. En recherchant la présence de vapeur d’eau, de CO2 et des marqueurs biologiques comme le méthane ou l’oxygène, le NIRISS aura la capacité de mettre en lumière d’autres mondes éventuellement habitables. Le FGS, quant à lui, aura la délicate tâche d’orienter le télescope avec précision.
En échange de la contribution essentielle du pays, des scientifiques canadiens se sont vu attribuer 450 heures d’observation et seront parmi les premiers à utiliser les données collectées par James-Webb. Olivia Lim se souvient de cette journée de la fin du mois de mars 2021 lorsqu’elle a appris qu’elle faisait partie des chercheurs sélectionnés, tout comme trois de ses collègues de l’iREx (voir p. 34). « C’était comme un party virtuel sur Slack ! » se remémore la doctorante en astrophysique de l’Université de Montréal.
Le miroir est composé de 18 segments en béryllium recouvert d’or. Chaque segment (comme celui sur cette photo) peut être manipulé indépendamment. Au final, James-Webb aura une sensibilité 100 fois meilleure que celle d’Hubble. Image: NASA/Drew Noel;Desiree Stover
Pour Olivia Lim et ses collègues, tout se fera… tout seul. « Ce n’est pas nous qui manipulerons le télescope à distance, indique la jeune chercheuse. On enverra la programmation à la NASA, qui transmettra ensuite [nos commandes] à James-Webb. On n’a pas à y penser ; on va juste attendre de recevoir nos données. » De grandes antennes radio réparties autour du monde capteront les signaux que le télescope transmettra jusqu’à deux fois par jour.
En attendant, ces chercheurs prennent déjà de l’avance : tests de programmes, simulations avec des valeurs fictives, marathons de programmation, préécriture des articles avec des espaces « blancs » à remplir au dernier moment suivant les résultats. « Dans un monde idéal, dès qu’on recevra les données, on appuiera sur un bouton et tout s’analysera pour qu’on soit capables d’annoncer des résultats rapidement », souhaite Olivia Lim.
La doctorante a fait le choix de rendre ses propres données publiques dès leur réception ; elle a à cœur l’entraide au sein de la communauté scientifique. Une décision qui va à contre-courant de la pratique : d’ordinaire, les chercheurs sont propriétaires de leurs données pendant un an, ce qui accentue le besoin de travailler rapidement. « C’est pour s’assurer qu’on a notre chance ; et si on ne les utilise pas, la communauté scientifique pourra s’en servir à son tour », justifie Stefan Pelletier, lui aussi doctorant à l’Université de Montréal. Ce sera alors une véritable course à la publication.
En avril dernier, Hubble a fêté ses 31 ans de bons et loyaux services. Le temps a commencé à faire son œuvre : depuis le mois de juillet, le télescope fonctionne sur l’ordinateur de secours, et les scientifiques n’ont pas l’intention de le réparer lorsque celui-ci rendra l’âme. James-Webb, lui, devrait fonctionner durant au moins cinq ans ; on espère néanmoins qu’il fera long feu. « Malheureusement, cela risque de ne pas dépasser 11 ans », déplore Nathalie Ouellette. L’enjeu est énergétique : même s’il sera largement alimenté par l’énergie solaire, un volume minime de carburant (de l’hydrazine) servira à maintenir le télescope stable sur son orbite. Quand ces réserves seront à sec, James-Webb dérivera et s’éloignera de sa courbe. Ce sera alors plus difficile de le pointer de manière précise vers les objets célestes. D’ici là, croisons les doigts !
Position des quatre instruments scientifiques
Les instruments qui équipent James-Webb opèrent dans l’infrarouge, ce qui permettra d’observer des objets très lointains, comme les premières étoiles et galaxies, dont le spectre lumineux a été décalé vers l’infrarouge par l’expansion de l’Univers.
L’imageur NIRISS est l’aboutissement de 20 ans de travaux menés par René Doyon, professeur à l’Université de Montréal et directeur de l’iREx. Il codirige l’équipe scientifique canadienne de James-Webb avec Chris Willott du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du Conseil national de recherches du Canada.
Image: NASA
