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Télescope Spatial James Webb : Un Pas de Géant dans l’Exploration de l’Univers

Télescope Spatial James Webb
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En avant pour un périple cosmique sans précédent ! Le télescope spatial James Webb, notre navire stellaire le plus récent, est prêt à hisser les voiles. Quelle est sa mission ? Plonger dans les abysses inexplorés de l’univers, en quête d’indices sur nos origines cosmiques.

En repoussant les frontières de notre savoir, ce maître de l’observation céleste se propose de nous guider vers une nouvelle ère d’astrophysique. C’est une incursion dans l’inconnu, une quête de connaissance au-delà de ce que nous avons connu jusqu’à présent.

Alors, préparez-vous à embarquer pour un voyage stellaire inédit. Le compte à rebours pour le départ vers l’inconnu est lancé. Allons ensemble à la découverte de ce que le télescope James Webb a à nous révéler.

Qu’est ce que le télescope spatial james webb ?

Le télescope spatial James Webb (JWST) est un chef-d’œuvre de l’ingénierie spatiale, fruit d’une coopération entre la NASA, l’Agence Spatiale Européenne et l’Agence Spatiale Canadienne.

Le JWST est conçu pour l’observation en infrarouge, ciblant des longueurs d’onde plus étendues que celles couvertes par son prédécesseur, le fameux télescope Hubble.

Lancé le 25 décembre 2021, il a déjà commencé à livrer des images de qualité scientifique dès juillet 2022. Toutefois, contrairement à Hubble, il n’a pas la capacité d’observer l’ultraviolet ni tout le spectre de la lumière visible.

Le miroir principal du JWST, avec son diamètre impressionnant de 6,5 m, dépasse de loin celui de Hubble. Malgré sa taille gigantesque, il est étonnamment léger, ne pesant que 6200 kg, soit la moitié du poids de Hubble.

Il se distingue par sa résolution étonnante, capable de capturer une image neuf fois plus rapidement que Hubble, un atout majeur pour la recherche astronomique.

JWST : james webb space telescope
James Webb Space Telescope

Défis du Projet

Le JWST intègre quatre instruments de pointe à son bord : la caméra sophistiquée NIRCam, le spectro-imageur avant-gardiste MIRI, le spectrographe innovant NIRSpec et le spectro-imageur ultramoderne NIRISS.

Les Enigmes de l’Astronomie

La mission du JWST vise à lever le voile sur plusieurs énigmes de l’astronomie, notamment la naissance des premières étoiles et galaxies après le Big Bang et l’analyse de la composition atmosphérique des exoplanètes.

Une Route Sinueuse

La route vers sa concrétisation a été semée d’embûches, des défis technologiques et financiers ayant contraint à repousser la date de lancement initiale de 2013 à 2021. Ces obstacles, pourtant, ont servi à forger la robustesse et l’efficacité de ce prodige spatial.

Hommage à James E. Webb

Le JWST porte fièrement le nom de James E. Webb, ancien administrateur de la NASA, dont l’influence déterminante a été cruciale pour le triomphe du programme Apollo.

Il est positionné en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, à une distance colossale de 1,5 million de kilomètres de notre planète, se tenant toujours à l’opposé du Soleil.

Si sa mission scientifique initiale est prévue pour une durée de cinq ans, ses réserves d’ergols permettent d’envisager une fonctionnalité continue pour au moins une décennie, prolongeant ainsi son précieux apport à l’astrophysique.

James E. Webb
Monsieur James E. Webb

L’importance de l’Infrarouge

L’importance de l’infrarouge ne peut être sous-estimée dans l’étude d’objets célestes tels que les planètes, étoiles, galaxies et astéroïdes. Il offre une fenêtre unique sur ces phénomènes cosmiques.

Toutefois, notre atmosphère terrestre fait obstacle, bloquant une portion considérable de cette précieuse lumière infrarouge. D’où l’importance cruciale de dispositifs comme le JWST, positionnés au-delà de cette barrière atmosphérique.

L’Astronomie Infrarouge en Plein Essor

Depuis les années 1980, l’astronomie infrarouge a connu un essor sans précédent, grâce aux télescopes spatiaux qui échappent aux contraintes imposées par notre atmosphère terrestre.

Ces instruments ont été le fer de lance de découvertes majeures, éclairant notre compréhension de la formation des étoiles et des galaxies primordiales.

Rendu en fausse couleur de la nébuleuse d'Orion par le téléscope infrarouge
Rendu en fausse couleur de la nébuleuse d’Orion par le téléscope infrarouge

La Contribution Incontournable de la NASA

La NASA a été une force motrice dans l’essor des télescopes infrarouges.

Forte de ses ressources conséquentes et de son expertise technologique sans égale, elle a inauguré une nouvelle ère en lançant l’IRAS, un télescope infrarouge précurseur, en 1983.

Le Successeur du Télescope Hubble

Durant les années 1990, les regards se sont portés vers la quête d’un successeur digne de l’illustre télescope Hubble.

La communauté astronomique, dans son infinie sagesse, a choisi de privilégier un télescope spécialement conçu pour une observation optimisée dans le spectre infrarouge.

L’Infrarouge : Clé des Mystères Inexplorés

C’est précisément dans ce domaine spectral que les scientifiques nourrissent l’espoir de dénicher les réponses aux interrogations suscitées par les avancées récentes en astronomie et en cosmologie.

L’infrarouge promet d’éclairer les zones d’ombre encore inexplorées de l’univers.

Chronologie du Télescope James Webb

1989-2009 : L’Aube du JWST

La genèse du télescope James Webb s’amorce en 1989 avec la NASA. Les spécifications techniques ainsi que les objectifs sont peaufinés et finalisés deux décennies plus tard.

1989-1994 : L’Ère du Projet NGST

Baptisé initialement NGST (Next Generation Space Telescope), le projet a pour ambition de prendre la relève du Hubble. Cependant, des complications liées à Hubble et des fluctuations politiques entravent la progression des plans.

1995-2001 : L’Émergence d’un Télescope Infrarouge

La NASA émet la proposition d’un télescope de huit mètres, dédié à l’observation en infrarouge. Une étude de faisabilité indique que le lancement du télescope ne pourra pas avoir lieu avant 2008.

2002-2008 : Le Choix du Constructeur

La NASA sélectionne le constructeur chargé de la conception générale. Le télescope est rebaptisé James Webb Space Telescope (JWST) en 2002. Des spécifications plus détaillées sont alors élaborées.

Développement des Instruments et du Miroir

Le développement des instruments et des 18 segments du miroir primaire s’engage dès 2004. Les instruments NIRCam et MIRI sont prêts pour la production en 2006.

2008 : L’Étape de Construction

En 2008, la NASA estime que le projet a atteint un stade d’avancement suffisant pour passer à l’étape de construction. La fabrication est alors initiée.

 

Construction du télescope spatial James Webb
Construction du télescope spatial James Webb

Objectifs principaux du télescope spatial James Webb

  1. Décrypter l’Aube de l’Univers : Il se lance dans une enquête cosmique, traquant les premières étoiles et galaxies qui ont émergé suite au Big Bang.
  2. Cartographier l’Évolution des Galaxies : Il est déterminé à décortiquer l’évolution des galaxies depuis leur genèse jusqu’à notre époque.
  3. Scruter le Cycle de Vie des Étoiles : Son attention se focalise sur le cycle de vie des étoiles, depuis leur formation jusqu’à l’éclosion des systèmes planétaires.
  4. Examiner les Systèmes Planétaires : Il se penche sur les caractéristiques physiques et chimiques des systèmes planétaires, y compris notre propre Système solaire.
  5. Rechercher les Prémices de la Vie : Enfin, il se met à la recherche des composants essentiels à la vie dans l’atmosphère des exoplanètes.

Chacun de ces objectifs amplifie notre compréhension du cosmos, fournissant des réponses clés à l’astronomie contemporaine.

Étude des premières étoiles et galaxies

Comprendre les étoiles et galaxies naissantes : Suite au Big Bang, qui a eu lieu il y a environ 13,6 milliards d’années, la matière s’est refroidie et transformée en ions d’hydrogène et une petite quantité d’hélium.

Puis, elle a capturé des électrons pour former des atomes neutres, marquant le début des âges sombres.

Quelques centaines de millions d’années plus tard, les premières étoiles et galaxies ont commencé à se former. Leur lumière réionise le gaz ambiant d’hydrogène et d’hélium.

Cette lumière, initialement visible ou ultraviolette, est maintenant observable uniquement dans l’infrarouge proche ou moyen à cause de l’expansion de l’Univers.

Le télescope spatial James Webb (JWST), optimisé pour observer cette partie du spectre, a le potentiel de voir des objets apparus jusqu’à 100 à 250 millions d’années après le Big Bang.

Le JWST vise à répondre aux questions clés suivantes :

  1. Quand et comment la réionisation de l’Univers a-t-elle eu lieu?
  2. Qu’est-ce qui a causé la réionisation?
  3. Quelles étaient les caractéristiques des premières galaxies?

Pour ce faire, le JWST observera longuement les premières galaxies en proche infrarouge, suivra des analyses spectroscopiques à basse résolution et fera des mesures photométriques en infrarouge moyen.

La réionisation sera étudiée grâce à une spectrométrie en infrarouge proche.

Formation et évolution des galaxies

Les scientifiques cherchent à comprendre comment la matière a évolué depuis le Big Bang. Ils examinent sa répartition et son comportement à différentes échelles, des particules subatomiques aux structures galactiques.

Les galaxies, grandes structurantes de l’univers, nous donnent des indices sur l’histoire et la nature de l’univers.

Avec le télescope JWST, nous espérons répondre à des questions clés :

  1. Les galaxies spirales, comme la nôtre, n’ont pas toujours eu cette forme. Elles se sont formées sur des milliards d’années, souvent par collision entre de petites galaxies. L’idée est que toutes les grandes galaxies ont connu au moins une fusion majeure, mais cela reste à confirmer.
  2. Les galaxies les plus anciennes et lointaines sont très différentes des galaxies actuelles. Elles sont petites et denses, avec des zones de formation d’étoiles. On ne sait pas comment elles sont devenues des galaxies spirales.
  3. On ne connaît pas le processus de formation des premières galaxies, ni ce qui a conduit à la diversité des formes de galaxies que nous voyons aujourd’hui.
  4. Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies. Cependant, leur lien avec les galaxies qui les hébergent est inconnu. On ne comprend pas bien si les mécanismes de formation des étoiles sont internes à la galaxie ou liés à une interaction ou fusion avec une autre galaxie.

Formation des étoiles et des systèmes planétaires

Les systèmes protoplanétaires et les étoiles naissent dans de grands amas de gaz et de poussière. Ces amas bloquent la lumière visible, mais pas le rayonnement infrarouge.

Cela nous permet d’observer la formation des étoiles et des planètes. Le télescope JWST nous offre une occasion unique d’examiner ces régions avec une précision sans précédent.

Il y a cinquante ans, nous ne savions pas que de nouvelles étoiles continuaient à se former.

Aujourd’hui, le processus d’effondrement de nuages de poussière et de gaz pour former des étoiles reste encore mystérieux.

Il en va de même pour les interactions entre les jeunes étoiles dans les « pouponnières d’étoiles ».

De plus, la découverte de systèmes planétaires très différents du nôtre a changé notre compréhension de la formation des planètes.

Le JWST, avec sa capacité à observer en infrarouge, vise à répondre aux questions suivantes :

  1. Comment les nuages de gaz et de poussière s’effondrent-ils pour former des étoiles?
  2. Pourquoi la majorité des étoiles se forment-elles en groupes?
  3. Comment se forment précisément les systèmes planétaires?
  4. Comment les étoiles évoluent-elles et comment éjectent-elles les éléments lourds qu’elles ont produits en fin de vie, qui sont ensuite recyclés par la prochaine génération d’étoiles et de planètes?

Étude des systèmes planétaires et recherche de la vie

Depuis les années 2000, des milliers d’exoplanètes ont été découvertes. Certaines sont similaires à la Terre et pourraient contenir de l’eau liquide, une condition clé pour la vie.

L’un des objectifs majeurs du JWST est d’étudier l’atmosphère de ces exoplanètes pour détecter des signes de vie comme l’eau ou l’oxygène.

Pour ce faire, le JWST utilise la méthode du transit. Cette méthode analyse la lumière de l’étoile lorsque l’exoplanète passe devant, révélant la composition de son atmosphère.

Le JWST sera également utilisé pour étudier les planètes de notre système solaire. Sa résolution exceptionnelle complète les informations fournies par d’autres observatoires.

Le JWST observera Mars, les planètes géantes, les planètes naines comme Pluton et Eris, ainsi que d’autres petits corps. Cependant, il ne pourra pas observer Vénus et Mercure, trop proches du Soleil.

Il permettra de découvrir de nouveaux petits corps célestes et fournira des informations sur les matériaux organiques sur Mars et les cycles saisonniers des planètes géantes.

Le JWST vise à répondre aux questions suivantes :

  1. Quels composants des disques protoplanétaires contribuent à la formation des planètes?
  2. Les planètes se forment-elles sur place ou leur orbite se déplace-t-elle?
  3. Quel est l’impact des planètes géantes sur les plus petites?
  4. Existe-t-il des planètes dans la zone habitable de leur étoile, où de l’eau à l’état liquide pourrait exister?
  5. Comment la vie s’est-elle développée sur Terre?
  6. Y a-t-il eu de la vie sur Mars?

Architecture générale du Télescope Spatial James Webb

Optimisation Infrarouge

Le télescope JWST est optimisé pour observer le rayonnement infrarouge.

Cela permet d’observer les galaxies lointaines, la formation des étoiles et les objets de très faible température.

Température des Détecteurs Infrarouges

Pour que les détecteurs infrarouges fonctionnent, le télescope doit être maintenu à une température inférieure à 55 kelvins.

Durée Minimale de la Mission

La durée minimale de la mission est de 5,5 ans.

Système de Refroidissement Mécanique

Un système de refroidissement mécanique est utilisé pour maintenir une température basse, réduisant la masse du télescope.

Grand Diamètre du Télescope

Le télescope a un grand diamètre (6,5 m), nécessitant le lancement du miroir primaire replié. En orbite, les composants du miroir peuvent être ajustés.

Bouclier Thermique

Le télescope possède un bouclier thermique sans précédent (22 × 12 mètres) pour maintenir la température des détecteurs infrarouges.

Type Anastigmatique

Le télescope est de type anastigmatique à trois miroirs courbes, minimisant les aberrations optiques et offrant un large champ de vue.

Capacités Spectrométriques

Les capacités spectrométriques du télescope sont particulièrement importantes.

Positionnement au Point de Lagrange L2

Le JWST est positionné au point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, permettant de transmettre les données à un débit élevé constant.

Durée de Vie Prévue

L’observatoire spatial transporte des consommables permettant des observations pendant au moins dix ans, avec des objectifs atteignables en cinq ans.

Masse Totale au Lancement

La masse totale est d’environ 6 173 kilogrammes au lancement, limitée par la capacité des lanceurs disponibles.

Innovations Principales

Les principales innovations sont le miroir principal, le bouclier thermique, le système de refroidissement des détecteurs de l’instrument MIRI (moyen infrarouge), et les micro-obturateurs de l’instrument NIRSpec.

Le JWST : Pourquoi ? Comment ? – Un point de vue éclairé de ScienceEtonnante

C’est toujours une joie de découvrir une nouvelle vidéo de la chaîne Youtube « ScienceEtonnante ». Dans une récente vidéo, elle nous a présenté une analyse approfondie du Télescope spatial James Webb.

Les images éblouissantes révélées mi-juillet ont suscité l’enthousiasme général. Et pour cause, elles témoignent du fonctionnement presque parfait de ce télescope novateur. Sans plus tarder, plongeons dans les détails.

Le Télescope spatial James Webb – Un observateur infrarouge

Un point clé à noter est que le James Webb est un télescope conçu pour observer l’infrarouge.

Comme vous le savez, le spectre des ondes électromagnétiques se compose de diverses longueurs d’onde, allant des rayons gamma aux ondes radios, en passant par la lumière visible, l’infrarouge et les micro-ondes.

Chacune de ces longueurs d’onde peut être utilisée en astronomie pour observer le ciel. Mais chaque télescope est conçu pour fonctionner dans une certaine plage de longueurs d’onde.

Par exemple, le Télescope spatial Hubble fonctionne entre 200 nm et 2.4 microns, soit dans l’UV, le visible et le proche infrarouge. Le James Webb, en revanche, est conçu pour opérer entre 600 nm et 28 microns, soit principalement dans l’infrarouge.

Pourquoi observer l’infrarouge ?

Observer l’infrarouge est particulièrement utile pour trois raisons principales :

1. Observer des galaxies très lointaines

Plus une galaxie est éloignée, plus elle nous apparait rouge à cause de l’expansion de l’Univers. Ainsi, les galaxies très distantes nous apparaissent même carrément en infrarouge.

Grâce à l’observation dans l’infrarouge, le James Webb pourra mieux détecter ces galaxies lointaines et très anciennes, et donc nous aider à mieux comprendre comment les premières galaxies se sont formées après le Big Bang.

2. Traverser les nuages de poussières

L’infrarouge traverse beaucoup mieux les nuages de poussière. Cela nous permet de voir à travers ces nuages et d’observer de nouveaux phénomènes, notamment ceux liés à la naissance des étoiles et à l’évolution des galaxies.

3. Observer des exoplanètes

L’infrarouge est très adapté à la recherche d’exoplanètes ayant une température proche de la nôtre. En effet, notre planète, avec sa température moyenne de 15°C, émet naturellement des radiations distribuées autour de 10 microns.

De plus, l’infrarouge peut nous aider à estimer la composition de certaines planètes à partir des longueurs d’onde absorbées par leur atmosphère.

Notre avis

Pour toutes ces raisons, l’observation dans l’infrarouge est très bénéfique pour l’astronomie. Cependant, l’atmosphère terrestre absorbe beaucoup d’infrarouges, ce qui rend difficile leur observation depuis la Terre.

C’est ici qu’intervient le Télescope spatial James Webb, qui offre une plateforme d’observation en infrarouge au-dessus de l’atmosphère terrestre, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’étude de l’univers.

Si vous souhaitez approfondir ce sujet passionnant, nous vous recommandons fortement de regarder la vidéo complète sur la chaîne Youtube « ScienceEtonnante ».

Instruments

Le JWST comprend quatre outils principaux, chaque instrument conçu pour réaliser plusieurs objectifs de la mission :

  1. NIRCam : Opère entre 0,6 et 5 micromètres. Offre un champ de vision de 2,2 x 4,4 minutes d’arc. Dispose de 19 filtres larges et étroits, ainsi qu’un coronographe.
  2. NIRSpec : Fonctionne également entre 0,6 et 5 micromètres. Propose un mode multi-objets, permettant l’observation de 100 objets sur un champ de 9 minutes d’arc carrées.
  3. MIRI : S’étend de 5 à 28,5 micromètres. A un champ de vue de 74 x 113 secondes d’arc et dispose d’un coronographe.
  4. NIRISS : Opère entre 0,6 et 5 micromètres. Son champ de vue est de 2,2 x 2,2 minutes d’arc. Équipé d’un interféromètre et de deux jeux de filtres.

Ces instruments exploitent la lumière collectée par l’optique du télescope spatial pour atteindre les objectifs de la mission JWST.

NIRCam : Caméra Principale

NIRCam, la caméra principale, capte des images dans le proche infrarouge (0,6 à 5 µm).

Cet instrument permet de voir à travers la poussière, une caractéristique essentielle pour observer les étoiles et les systèmes planétaires en formation.

NIRCam
NIRCam

Coronographe de la NIRCam

Grâce à son coronographe, NIRCam peut capturer des images d’exoplanètes faiblement lumineuses en bloquant la lumière de leur étoile.

Applications de la NIRCam

La NIRCam est essentielle pour photographier et analyser les spectres des jeunes exoplanètes, leurs atmosphères, ainsi que la poussière chaude et les gaz moléculaires des jeunes étoiles et disques protoplanétaires.

NIRSpec : Spectromètre Proche-Infrarouge

Le NIRSpec (Near-InfraRed Spectrometer) est un instrument performant, fonctionnant de 0,6 à 5,3 µm dans le proche infrarouge.

Outre la spectroscopie à fente habituelle, il offre un mode multi-objets.

NIRSpec
NIRSpec

Micro-obturateurs Programmables

Grâce à ses micro-obturateurs programmables, le NIRSpec permet d’analyser simultanément le spectre de 100 objets choisis dans un champ de 3,6 × 3,6 minutes d’arc.

Chaque objet est observé via une ouverture de 0,20 × 0,45 seconde d’arc.

Résolutions Spectrales

Avec des résolutions spectrales pouvant être de 100, 1 000 ou 2 700, le NIRSpec est conçu pour observer les galaxies très distantes et peu lumineuses.

Cela permet plusieurs observations parallèles pendant de longues expositions.

Spectres en « Champ Intégral »

Le NIRSpec permet aussi d’effectuer des spectres en « champ intégral« .

MIRI : Instrument Moyen Infrarouge

MIRI (Mid InfraRed Instrument) est le seul outil qui observe dans l’infrarouge moyen de 5 à 28 µm. Il offre des images et des spectres (spectro-imageur).

MIRI (Mid InfraRed Instrument
MIRI (Mid InfraRed Instrument

Résolution et Champ de Vue de MIRI

MIRI possède une résolution de 0,11 seconde d’arc par pixel, avec un champ de vue maximum de 74 × 113 secondes d’arc.

Modes d’Observation de MIRI

MIRI offre quatre modes d’observation : images, coronographie, spectroscopie à basse résolution (résolution spectrale de 100) entre 5 et 11 µm, et spectroscopie à « champ intégral » sur un champ de vue de 3 × 3 secondes d’arc, avec une résolution spectrale d’environ 1500.

NIRISS/FGS : Imagerie et Spectrographie

NIRISS/FGS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) est un instrument secondaire associé au système de guidage fin FGS, mais qui fonctionne de manière indépendante.

C’est un spectro-imageur qui produit à la fois des spectres et des images.

NIRISS/FGS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)
NIRISS/FGS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)

Caractéristiques Unique de NIRISS/FGS

Seul instrument doté d’un masque d’ouverture, NIRISS/FGS possède la capacité unique de créer des images d’un seul objet brillant, avec une résolution angulaire supérieure à tous les autres instruments.

Le James Webb : Comparaison avec Hubble et Spitzer

Le James Webb, pour l’astronomie infrarouge, est la suite du Spitzer. Ce dernier, un autre grand télescope spatial de la NASA mis en orbite en 2003, a terminé sa mission en 2020.

Le James Webb est également perçu comme le successeur du télescope spatial Hubble, bien que ne le remplaçant pas. Lancé en 1990, Hubble est toujours en activité.

Hubble
Télescope Hubble

Différences clés du James Webb

Le James Webb se distingue par sa grande ouverture, une faible diffraction et une sensibilité sur un large spectre infrarouge.

Aucun autre observatoire, terrestre ou spatial, n’égale ses caractéristiques. Hubble, bien que de plus petit diamètre, couvre l’ultraviolet et une partie de la lumière visible que le James Webb ne peut observer.

Hubble est limité à l’infrarouge jusqu’à 2,5 micromètres, alors que JWST atteint jusqu’à 28 µm.

Comparaison avec Spitzer

Le miroir de Spitzer, plus petit et moins sensible, présente une résolution angulaire inférieure.

En spectroscopie, grâce à ses modes multi-objets et champ intégral, le James Webb offre des capacités inédites par rapport à Hubble et Spitzer.

Spitzer
Télescope Spitzer

Capacités de James Webb

James Webb peut observer toutes les galaxies avec un décalage vers le rouge entre 6 et 10 et détecter la lumière des premières galaxies apparues après le Big Bang.

Il est conçu pour compléter les futurs grands observatoires terrestres comme le Télescope de Trente Mètres, jusqu’à 2,5 µm.

Au-delà de cette longueur d’onde, James Webb les surpasse, car les observatoires terrestres sont entravés par les émissions thermiques de l’atmosphère.

Futurs Projets de Remplacement

Le remplaçant direct de Hubble, capable d’observer dans les mêmes longueurs d’onde, est encore à l’étude et ne devrait pas être lancé avant 2035/2040.

Deux projets, HabEx et LUVOIR, ont été proposés à la NASA en 2019. L’Académie des sciences recommande le développement de LUVOIR, dans une version plus petite, qui réduirait les coûts, les délais et les risques grâce à sa ressemblance avec le JWST.

Comparatif des caractéristiques du JWST, de Hubble et de Spitzer

JWST Hubble Spitzer
Mise en service 2021 1990 2003-2020
Longueurs d’onde 0,6–28 micromètres (Infrarouge proche et moyen) 0,1–2,5 micromètres (Ultraviolet, visible et infrarouge proche) 3,6–180 micromètres (Infrarouge moyen et lointain)
Dimensions 22 × 12 m Long. 13,2 m × ∅ 4,2 m Long. 4,45 m × ∅2,1 m
Masse 6,2 t 11 t 0,95 t
Orbite Point de Lagrange L2 Orbite basse Orbite h

Performances du télescope spatial James Webb

Le télescope spatial James Webb a une résolution impressionnante de 0,1 seconde d’arc à deux micromètres.

Il se mesure en performance avec le télescope spatial Hubble, bien que son miroir soit 2,75 fois plus petit. Hubble observe cependant des longueurs d’onde plus courtes (autour de 0,7 micromètres).

Ainsi, plus la longueur d’onde est courte, plus la résolution est élevée.

Mode Image :

  • NIRCam couvre les longueurs d’onde de 0,6 à 5 µm avec une résolution spatiale de 0,032 à 0,065.
  • NIRISS fonctionne entre 0,9 et 5 µm avec une résolution de 0,065.
  • MIRI est efficace de 5 à 28 µm, sa résolution est de 0,11.
  • Interférométrie à masque d’ouverture est réalisée avec NIRISS de 3,8 à 4,8 µm à une résolution de 0,065.

Mode Coronographie :

  • NIRCam est utilisé pour 0,6 à 5 µm avec une résolution de 0,032 à 0,065.
  • MIRI est utilisé pour des longueurs d’onde spécifiques (10,65, 11,4, 15,5, 23 µm) à une résolution de 0,11.

Analyse Spectrale :

  • Spectroscopie sans fente est effectuée avec NIRISS et NIRCam couvrant 0,6 à 5 µm.
  • Spectroscopie multi-objets et Spectroscopie à fente sont réalisées avec NIRSpec de 0,6 à 5 µm, et MIRI pour 5 à 14 µm.
  • Spectroscopie à champ intégral est effectuée avec NIRSpec pour 0,6 à 5 µm et MIRI pour 5 à 28,8 µm.

Chaque instrument offre un champ et une résolution spectrale variés, adaptés à des objectifs d’observation spécifiques.

Étapes de la construction du télescope spatial (2009-2021)

En 2009, débute la construction du télescope spatial. Celle-ci s’avère être une tâche coûteuse, les coûts sont estimés à 4,964 milliards de dollars.

Cependant, les délais s’allongent et les coûts doublent en raison de diverses difficultés.

Fabrication et test des composants (2009-2016)

En 2010, le JWST passe la revue critique de conception. L’année suivante, les premiers éléments du miroir primaire sont achevés. En 2012, les premiers instruments scientifiques arrivent.

La plateforme est terminée en 2014. En 2016, l’assemblage de tous les composants est achevé.

Assemblage final et tests d’intégration (2017-2021)

La phase de test démarre fin 2016. Chaque composant est minutieusement testé. Le télescope est testé en conditions réalistes.

Cependant, des retards sont constatés en 2018. En 2020, la Covid-19 ralentit les progrès. En juillet 2021, les tests d’intégration sont réussis. Le télescope est finalement prêt à être lancé.

Causes du surcoût et tensions internes

La facture initiale pour le développement du télescope spatial était estimée entre 1 et 3,5 milliards de dollars, avec un lancement prévu entre 2007 et 2011.

Toutefois, le coût du projet a continué d’augmenter, atteignant 8,8 milliards de dollars en 2013. En octobre 2021, le coût total est estimé à 9,7 milliards de dollars.

Des problèmes de gestion, des estimations de coûts erronées, et des complications techniques sont parmi les raisons de ces retards et surcoûts.

De plus, la part importante du budget de l’astronomie allouée à ce projet a suscité des protestations au sein de la communauté des astronomes.

Malgré son coût et ses retards, la communauté des astronomes juge que l’investissement dans le télescope Webb est justifié, tout comme celui dans le télescope Hubble à son époque.

Déroulement de la mission du Télescope Spatial James Webb

Le voyage de James Webb vers le point Lagrange L2

Après son lancement, le James Webb Space Telescope (JWST) se dirige vers le point de Lagrange L2. C’est là où les forces gravitationnelles du Soleil et de la Terre s’alignent parfaitement.

Cela permet à JWST de rester dans une position stable, constamment à l’ombre du Soleil.

Il faut noter que le JWST n’est pas exactement sur le point L2, mais plutôt en orbite autour de celui-ci.

Cette orbite, en forme de halo, lui permet de maintenir une température basse constante. Cette basse température est essentielle pour que JWST puisse réaliser des observations précises dans l’infrarouge.

La mise en service du JWST

Une fois en place, le JWST ne commence pas immédiatement son travail. Il faut d’abord que ses instruments atteignent une température ultra-froide.

C’est seulement à ce moment-là que l’alignement des miroirs peut commencer. Cela est crucial pour garantir la clarté des images capturées par le télescope.

Une fois que les miroirs sont alignés et que les instruments sont calibrés, le JWST est finalement prêt à observer l’univers.

Des performances qui dépassent les attentes

Les premières observations du JWST dépassent les prévisions. Les miroirs sont plus lisses, et le système de guidage est plus précis que prévu.

Cela signifie que le JWST peut capturer des images avec une sensibilité et une précision exceptionnelles. Il peut voir plus loin et plus clairement que n’importe quel autre télescope spatial à ce jour.

Les premières images

La première image de qualité scientifique du JWST est une vue époustouflante du champ profond de l’univers. Elle présente des centaines de galaxies éloignées, certaines des plus anciennes de l’univers.

Le JWST a également capturé des images détaillées de la nébuleuse de la Carène, du Quintette de Stephan et de la nébuleuse planétaire NGC 3132. Il a même réussi à détecter l’atmosphère de l’exoplanète WASP-96b.

En conclusion, le James Webb Space Telescope est déjà en train de révolutionner notre compréhension de l’univers. Et ce n’est que le début de son voyage à travers les étoiles.

Fonctionnement du Télescope Spatial James Webb

Orientation du Télescope James Webb

La position de James Webb Space Telescope (JWST) dans l’espace limite sa vision du ciel à un moment précis. Pourquoi ? Son bouclier thermique doit le protéger des rayonnements du Soleil et de la Terre.

Cependant, il peut pivoter librement de 360° autour du Soleil, sans changer l’impact du rayonnement solaire sur le bouclier.

Il faut respecter un certain angle entre le bouclier thermique et la direction du Soleil. Cet angle, appelé « élévation solaire », doit se situer entre -5° et 40°. Cette contrainte restreint la zone observable du ciel à 40% à un moment donné, contre 80% pour Hubble.

Observation de l’ensemble de la voûte céleste

Grâce à son orbite autour du Soleil, JWST peut observer l’ensemble du ciel pendant au moins 100 jours par an. Près des pôles écliptiques, entre 85° et 90°, l’observation peut être continue.

Mais il ne peut jamais observer des objets plus proches du Soleil que la Terre, comme Vénus, Mercure, ou certains astéroïdes.

Mouvement autour de l’axe du télescope

Le JWST peut également osciller légèrement autour de son axe. L’oscillation varie entre 3° et 7° en fonction de l’élévation solaire.

Contrôle du Télescope James Webb

Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, contrôle le télescope James Webb.

L’Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) gère le STScI pour la NASA. Le STScI programme et sélectionne les observations pour Webb, tout comme pour Hubble.

Communication avec le Télescope

Pour communiquer avec le télescope, on utilise le Deep Space Network de la NASA. Ses grandes antennes sont situées à Goldstone, Californie, Madrid, Espagne, et Canberra, Australie.

D’autres moyens de liaison, comme les satellites TDRS, la station de Malindi au Kenya, et le centre de contrôle de l’ESOC en Allemagne, permettent une communication continue.

Planification des Observations

Les observations sont planifiées bien à l’avance et transmises sous forme de séquences opérationnelles de 20 jours. Si une observation échoue, le télescope passe automatiquement à la suivante.

Le taux d’observation effectif attendu est supérieur à 70%.

Étude des Événements Astronomiques

Une séquence d’observations peut être interrompue dans un délai de 48 heures pour étudier un événement inattendu, comme une supernova, un sursaut gamma, ou une collision céleste.

Les données scientifiques sont enregistrées toutes les 20 à 200 secondes pour limiter les pertes de données dues aux rayons cosmiques.

Précision de Pointage du Télescope

La précision du pointage varie selon l’instrument utilisé, entre 5 et 7 secondes d’arc et 5 millisecondes d’arc. Pour maintenir le pointage, on utilise des étoiles guides.

L’instrument FGS localise et maintient le télescope pointé vers sa cible en mesurant constamment la position des étoiles guides.

En cas de déviation, des instructions sont envoyées au système de contrôle d’attitude pour corriger les erreurs de pointage. La précision de pointage est de 0,10 seconde d’arc, et la stabilité de pointage varie entre 6,2 et 6,7 millisecondes d’arc pour un temps de pose de 1 000 secondes.

Ajustements Orbitaux

À la différence des observatoires terrestres, le télescope James Webb n’est pas affecté par les perturbations atmosphériques ni les déformations gravitationnelles.

Seules de légères variations de température nécessitent des corrections périodiques. L’état des ondes est vérifié tous les deux jours avec l’instrument NIRCam.

Corrections des Miroirs

Les ajustements des miroirs, requis pour compenser leurs déformations, ont lieu environ toutes les deux semaines.

Ces corrections ne consomment que 1 à 2% du temps d’observation total.

Conservation des Données

Toutes les données recueillies par le JWST sont conservées dans le Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST). Cet espace est accessible aux chercheurs et au public.

Le MAST archive les informations astronomiques recueillies dans l’ultraviolet, le visible et le proche infrarouge. Cela comprend les données de différents observatoires terrestres et spatiaux de la NASA, tels que Pan-STARRS, Kepler, TESS et Hubble.

Choix des Observations

Le Space Telescope Science Institute (STScI) gère le fonctionnement du télescope. Ses responsabilités comprennent l’évaluation, la programmation des observations, ainsi que la collecte, la distribution et l’archivage des données.

Comme pour d’autres grands observatoires de la NASA, 10% du temps d’observation est réservé aux astronomes ayant contribué à la conception des instruments (GTO).

Ils disposent de 4 020 heures pour les premiers cycles d’observation sur 30 mois.

Dans la même période, 10% du temps d’observation est alloué à la discrétion du STScI (DD), et 80% est réservé aux astronomes internationaux (GO).

Pour utiliser le télescope, ces derniers doivent soumettre leurs propositions à un comité d’astronomes et de représentants d’agences spatiales impliquées dans le JWST.

Le comité sélectionne les projets les plus prometteurs en accord avec les objectifs de la mission. Les observations du premier cycle doivent respecter les objectifs de l’Early Release Science Program, visant à obtenir un retour scientifique rapide et une évaluation précise des capacités des instruments.

Pour le premier cycle d’observations (juin 2022-juin 2023), 6 000 heures ont été proposées aux astronomes internationaux sous le régime GO. Il y avait 3 500 heures d’observations courtes, 1 500 heures d’observations moyennes et 1 000 heures d’observations longues+réserves.

Parmi les 1 084 propositions soumises, 266 ont été retenues, dont 89 provenaient d’Europe et 10 du Canada. Les observations se répartissent entre la spectroscopie (70%) et l’imagerie (30%).

Le temps d’observation est réparti entre les instruments : NIRSpec (40,8%), MIRI (28,1%), NIRCAM (24,4%) et NIRISS (6,7%).

Les thèmes des observations reflètent les objectifs du télescope, allant de l’étude des galaxies et du milieu intergalactique à l’examen du système solaire.

Longévité du Télescope Spatial James Webb

Le JWST a été construit pour durer au moins cinq ans et demi. Contrairement à des prédécesseurs comme Herschel, sa durée de vie n’est pas limitée par le volume de liquide cryogénique, puisque ses détecteurs sont refroidis mécaniquement ou passivement.

La durée de vie est plutôt limitée par l’usure des composants ou l’épuisement du carburant nécessaire pour maintenir le télescope en orbite. Il y a assez de carburant pour tenir au moins dix ans.

À la différence de Hubble, le JWST ne peut pas être réparé ou avoir ses instruments remplacés. Il est trop loin pour des interventions humaines.

Pour l’instant, il n’existe pas de module qui permettrait la survie d’un équipage pendant une mission de deux mois minimum et un retour sur Terre.

En mai 2022, un petit météore a heurté un des miroirs du télescope, le déplaçant de son axe, mais sans causer de dommages irréversibles. C’était le cinquième météore et le plus gros à frapper le télescope depuis son déploiement.

Caractéristiques techniques détaillées

Le télescope spatial James Webb mesure 8m de haut, 21.2m de long, 14.2m de large une fois en orbite.

Il pèse approximativement 6 173 kg lors du lancement. Il se divise en quatre sections distinctes:

  1. La plateforme, où se trouvent toutes les fonctions de support: contrôle de l’orbite, alimentation électrique, stockage des données et communications.
  2. Le bouclier thermique, qui protège les parties sensibles du télescope du rayonnement infrarouge venant du Soleil, de la Terre et de la Lune.
  3. La partie optique (OTE), qui collecte le rayonnement stellaire et le redirige vers les instruments scientifiques.
  4. Le module ISIM, qui analyse le rayonnement collecté pour produire des images et des spectres électromagnétiques.

La plateforme est du « côté chaud » du bouclier thermique, car elle contient beaucoup d’électronique qui génère de la chaleur. Les principales sous-systèmes de la plateforme sont:

  • Le système de production d’énergie électrique qui repose sur des panneaux solaires fixes.
  • Le système de contrôle d’attitude qui maintient le pointage du télescope.
  • Le système de télécommunications qui transmet les données recueillies.
  • Le système de gestion des données et des commandes (C&DH) qui traite les opérations et les données scientifiques.
  • Deux systèmes de propulsion, utilisés pour les corrections d’orbite et pour contrôler l’orientation du télescope.
  • Le système de contrôle thermique qui maintient l’ensemble de la plateforme à la température prévue.
  • Un réfrigérateur qui maintient le détecteur de l’instrument MIRI à 7 K.

Enfin, le bouclier thermique isole la partie optique et les instruments des flux thermiques. Il est constitué de cinq couches de polymère métallisé qui réfléchissent la chaleur dans l’espace.

Seule la couche la plus interne est visible par le télescope, quel que soit le point du ciel observé.

« Univers – De l’Œil Nu au Télescope Spatial Infrarouge James-Webb » : Un Voyage Astronomique

Pénétrez dans un récit étoilé avec « Univers – De l’œil nu au télescope spatial infrarouge James-Webb ».

Ce livre nous plonge dans l’évolution de notre compréhension du cosmos, commençant avec nos ancêtres préhistoriques qui s’émerveillaient des étoiles dans le ciel nocturne.

Dans cette épopée, l’humanité passe de la simple observation à l’œil nu à l’utilisation d’instruments toujours plus sophistiqués pour sonder l’univers, allant des télescopes optiques aux radiotélescopes.

Il explore les domaines des rayons ultraviolets, X et gamma, s’aventure dans le champ des micro-ondes et s’oriente vers l’étude des particules insaisissables comme les neutrinos et les ondulations de l’espace causées par des événements énergétiques colossaux, tels que les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons.

Ce voyage, qui a duré des milliers d’années, continue aujourd’hui et demain avec des merveilles technologiques comme le télescope spatial James Webb.

Des points forts du livre comprennent :

  • L’exploration de la relation fascinante entre l’homme et l’astronomie.
  • Des images étonnantes prises par les télescopes les plus avancés.
  • Un aperçu de la technologie derrière les découvertes astrales.

Walter Riva, directeur de l’Observatoire astronomique Righi et rédacteur pour l’Université de Gênes, Marina Costa, conseillère scientifique à l’Observatoire astronomique de Righi, et Teo Riva, un graphiste et illustrateur multidisciplinaire, collaborent pour rendre ce voyage à travers l’Univers à la fois éducatif et visuellement époustouflant.

Que vous soyez un passionné d’astronomie ou simplement curieux de comprendre notre place dans l’Univers, ce livre est une invitation à un voyage captivant à travers le temps et l’espace.

Explorer l’Univers : Un Voyage au-delà des Étoiles

L’astronomie a permis à l’humanité de lever les yeux vers les étoiles. Nos astronomes scrutent la Voie Lactée, notre galaxie, cherchant à comprendre les secrets de notre univers.

Nous nous marions à des astres bien au-delà de notre système solaire, dans les recoins lointains de la Voie Lactée et même au-delà, vers la galaxie d’Andromède, à plus de deux millions d’années-lumière.

Grâce aux téléscopes spatiaux, comme le Hubble, nous avons permis d’observer des phénomènes astronomiques étonnants. Nous avons vu des étoiles lointaines clignoter à travers la matière interstellaire, les anneaux lumineux de Saturne et les taches turbulentes de Jupiter.

Les images de l’espace profond ont révélé des nébuleuses colorées, des poussières stellaires et des amas d’étoiles regroupés en de magnifiques constellations.

Les étoiles lointaines…

La luminosité d’une étoile lointaine, ou d’une naine blanche, peut nous aider à déterminer sa distance. Nos astrophysiciens étudient ces mesures, cherchant à comprendre les lois de la gravitation universelle et de la matière noire.

La possibilité de étudier l’univers et d’explorer l’univers grâce à la technologie a ouvert de nouvelles portes à notre compréhension de l’espace.

Dans l’espace profond, au-delà de Neptune, nous explorons les confins de l’univers. Nous cherchons à déchiffrer les mystères de la matière noire, des trous noirs et de la lumière des étoiles lointaines.

Chaque nouvelle image de l’espace, chaque nouvelle observation, nous rapproche d’une compréhension plus profonde de notre place parmi les étoiles.

Les scientifiques continuent à repousser les limites de notre connaissance, nous emmenant dans un voyage vers l’infini galactique. Cette exploration de l’univers nous donne une image plus complète de notre maison cosmique, de notre Voie Lactée aux galaxies lointaines.

Les étoiles ne sont plus seulement des points de lumière dans le ciel, mais des mondes réels, pleins de mystère et de beauté. Nous sommes vraiment des explorateurs de l’univers, naviguant parmi les étoiles à la recherche de nouvelles découvertes.

L’Astronomie et l’Astrophysique : Une Odyssée parmi les Étoiles

L’astronomie et l’astrophysique sont des domaines clés qui nous permettent d’observer de loin les merveilles de l’univers. Des astres lumineux aux confins de notre galaxie spirale, chaque découverte enflamme notre curiosité et stimule la recherche en astrophysique.

L’astronome scrute le ciel, capturé par le bal des constellations. Au travers du Télescope spatial Kepler, il peut voir les étoiles les plus brillantes, même à des millions d’années lumière de la Terre. Les images astronomiques sont capturées grâce à des dispositifs CCD, offrant une vue incroyablement détaillée de l’espace.

Chaque étoile dans l’univers a sa propre histoire, sa propre lumière. Certaines sont massives et géantes, d’autres sont plus petites mais tout aussi fascinantes. Nous avons même la chance d’observer des objets tels que des comètes, zoomant à travers l’espace à des vitesses stupéfiantes.

Les chercheurs Astrophysiciens

Astrophysiciens et chercheurs scrutent chaque point de lumière, chaque objet astrophysique. Leur objectif : déchiffrer les mystères des trous noirs supermassifs ou comprendre l’effet de la gravitationnelle sur la formation des galaxies. Ils étudient également l’effet des rayons-X sur notre atmosphère terrestre.

À l’Observatoire Européen Austral, des scientifiques examinent le Grand et le Petit Nuage de Magellan, deux galaxies naines proches de la Voie Lactée. Ces nuages, visibles depuis l’hémisphère sud, sont une mine d’or pour l’étude des étoiles massives et de la structure des galaxies.

En utilisant des satellites et des télescopes comme Kepler, nous pouvons regarder au-delà de notre atmosphère et scruter le centre de la Voie Lactée. C’est là que réside un trou noir supermassif, une créature d’une densité incroyable qui dévore tout ce qui s’approche trop près.

En fin de compte, chaque observation réalisée, chaque image capturée, nous rapproche un peu plus de la compréhension de notre place dans l’univers. Que ce soit une étoile lointaine ou une galaxie spirale lumineuse, chaque découverte apporte une nouvelle pièce au puzzle de l’univers.

Le dernier mot…

En conclusion, le télescope spatial James Webb est un tour de force technologique qui ouvre des fenêtres inédites sur l’univers.

Son voyage, jalonné d’innovations, de défis et d’investissements majeurs, est une preuve de l’audace et de l’ingéniosité humaine.

Au-delà des frontières de notre connaissance, il captera la lumière des étoiles les plus distantes, explorera les mystères des exoplanètes et plongera dans l’histoire cosmique.

Et tandis que chaque pixel capturé alimente notre soif de comprendre, le véritable voyage de découverte ne se trouve pas seulement dans la recherche de nouvelles terres, mais dans la vision de nouveaux cieux.

Le télescope spatial James Webb, véritable symbole de notre désir d’exploration, est prêt à naviguer dans cet océan inexploré qu’est l’univers.

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