Le télescope James Webb

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Caractéristiques

Les travaux sur le JWST commencent en 1989, mais le projet connaît de nombreuses évolutions et vicissitudes dues aux défis technologiques qu'il soulève (miroir primaire pliable, bouclier thermique déployable) et aux dépassements budgétaires. Le projet frôle l'annulation en 2011.

• C’est une collaboration entre la NASA, l’Agence Spatiale Européenne et l’Agence Spatiale Canadienne.
• Coût total : 10 milliards de dollars.
• Miroir primaire : 6,5 mètres.
• Longueur d’onde : Infrarouge proche et moyen : 0,6 - 28 micromètres.
• L’écran solaire qui le protège des rayons du Soleil a à peu près la taille d’un terrain de tennis.
• Poids : 6,2 tonnes.
• Lancé le : 25 décembre 2021.
• Lanceur : fusée Ariane V.
• Opérationnel depuis : 12 juillet 2022.
• Distance à la Terre : 1,5 millions de km.
• En orbite au point de Lagrange L2 situé à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre (932 056 miles exactement). Cependant, le télescope Webb n'atteint jamais directement L2 ; il se place en orbite autour de ce point. Cette orbite est très étendue et le télescope s'y engage avant même d'atteindre la distance linéaire entre la Terre et L2. Il s'agit d'une orbite de halo, c'est-à-dire une orbite qui décrit périodiquement une série de trajectoires autour de L2, et non une trajectoire unique.
• Température maximale : 125° C
• Température minimale : -253° C

Spectre électromagnétique observé par les télescopes James Webb, Hubble et Spitzer

Le pointage du télescope james Webb

Les instruments

NIRCam imageur proche infrarouge

La caméra NIRCam est l'instrument principal pour la fourniture d'images dans le proche infrarouge (0,6 à 5 µm) qui permet de s'affranchir de la poussière (étoile et système planétaire en formation). Elle est équipée d'un coronographe permettant de photographier les exoplanètes dont la lumière est très faible par rapport à leur étoile, en masquant cette dernière. L'instrument doit permettre notamment de réaliser des photos et des spectres de jeunes exoplanètes et de leur atmosphère, et d'analyser les poussières chaudes et les gaz moléculaires des jeunes étoiles et des disques protoplanétaires

NIRSpec Spectrographe proche infrarouge

NIRSpec (Near-InfraRed Spectrometer, en français « spectromètre pour l'infrarouge proche ») est un instrument polyvalent fonctionnant dans le proche infrarouge de 0,6 à 5,3 µm. Outre la spectroscopie à fente classique, il dispose d'un mode multi-objets grâce à une matrice de micro-obturateurs programmables (Micro-Shutter Assembly, MSA) qui permet de réaliser simultanément le spectre de 100 objets sélectionnés dans un champ de 3,6 × 3,6 minutes d'arc. Chaque objet est observé via une ouverture correspondant à un champ de 0,20 × 0,45 seconde d'arc. La résolution spectrale peut être de 100, 1 000 ou 2 700. Il est ainsi optimisé pour l'observation de galaxies très lointaines, peu lumineuses, en permettant l'observation de plusieurs objets en parallèle durant des temps d'exposition très longs. Il permet également de réaliser des spectres en « champ intégral ».

MIRI Spectro-imageur moyen infrarouge

MIRI (en anglais : Mid InfraRed Instrument, « instrument pour l'infrarouge moyen ») est le seul instrument observant dans l'infrarouge moyen de 5 à 28 µm. Cet instrument fournit à la fois des images et des spectres (spectro-imageur). La résolution de MIRI est de 0,11 seconde d'arc par pixel, pour un champ de vue maximum de 74 × 113 secondes d'arc. Quatre modes d'observation sont possibles : 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 1 500.

NIRISS / FGS Imageur proche infrarouge

NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) est un instrument secondaire associé au système de guidage fin FGS, mais indépendant de celui-ci. Il s'agit d'un spectro-imageur permettant de réaliser des spectres et des images. Seul instrument équipé d'un masque d'ouverture, il dispose de la capacité unique de réaliser des images d'un objet unique et brillant, avec une résolution angulaire supérieure à celle de tous les autres instruments.

Les objectifs scientifiques

• Rechercher les premières étoiles et galaxies qui sont apparues dans l'Univers après le Big Bang.
• Déterminer comment les galaxies évoluent, de leur formation jusqu'à nos jours.
• Observer la formation des étoiles depuis les premières étapes jusqu'à la formation des systèmes planétaires.
• Mesurer les caractéristiques physiques et chimiques des systèmes planétaires, y compris le Système solaire, et rechercher les composants nécessaires à l'apparition de la vie dans l'atmosphère des exoplanètes.

1- Étude des premières étoiles et galaxies

L'événement le plus ancien connu de notre Univers est le Big Bang, qui a lieu il y a environ 13,6 milliards d'années. La matière, qui se présente alors sous la forme d'une soupe de protons, de neutrons et d'électrons à très hautes températures, se refroidit pour former des ions d'hydrogène ainsi qu'une faible quantité d'hélium (au cours de la nucléosynthèse primordiale), puis, après captures d'électrons, des atomes neutres (au cours de la recombinaison, début des âges sombres). Les premières étoiles et galaxies commencent à se former plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang (l'intervalle de temps précis n'est pas connu). Le rayonnement de ces premières étoiles réionise le gaz ambiant d'hydrogène et d'hélium (réionisation). La lumière de certaines de ces premières étoiles et galaxies parvient sans doute jusqu'à la Terre. Mais, du fait de l'expansion de l'Univers, notre galaxie s'éloigne à une vitesse croissante de sa source et cette lumière est fortement décalée vers le rouge, par effet Doppler. Il en résulte que la lumière qui a été émise dans le spectre du visible ou de l'ultraviolet ne peut être observée que dans l'infrarouge proche ou moyen, c'est-à-dire dans la partie du spectre pour lequel le télescope a été optimisé. Grâce à son pouvoir de résolution spatiale et à sa couverture spectrale, le JWST devrait être capable d'observer des objets apparus jusqu'à 100 à 250 millions d'années après le Big Bang.

2- Formation et évolution des galaxies

Les scientifiques essaient de déterminer comment cette matière s'est organisée et comment elle a changé depuis le Big Bang, en étudiant la distribution et le comportement de la matière à différentes échelles depuis la particule, au niveau subatomique, jusqu'aux structures galactiques. Les galaxies structurent la matière de l'Univers à grande échelle. Elles fournissent des indices sur la nature et l'histoire de l'Univers. Dans cette optique, le télescope JWST doit permettre de répondre aux questions suivantes :

• les galaxies spirales (dont la nôtre) n'ont pas toujours eu cette forme. Elles se sont formées sur plusieurs milliards d'années et résultent de l'enchaînement de plusieurs processus, dont la collision entre des galaxies de plus petites tailles. L'hypothèse, qui reste à confirmer, est que toutes les galaxies géantes ont subi ainsi au moins une fusion majeure, alors que l'Univers avait six milliards d'années ;
• les galaxies les plus éloignées (donc les plus anciennes) ont une structure très différente des galaxies récentes. Elles sont petites et ramassées, avec des régions très denses, où se forment de nouvelles étoiles. Le passage de cette forme à celle des galaxies spirales n'est pas expliqué ;
• le processus de formation des premières galaxies est inconnu, tout comme les facteurs qui ont abouti à la diversité de formes des galaxies observées actuellement ;
• les astrophysiciens ont découvert que des trous noirs supermassifs étaient situés au centre de la plupart des galaxies. Mais on ignore la nature de leur relation avec les galaxies qui les hébergent. On ne comprend pas complètement si les mécanismes à l'origine de la formation des étoiles sont internes à la galaxie ou sont liés à une interaction ou à une fusion avec une autre galaxie.

3- Formation des étoiles et des systèmes planétaires

Les systèmes protoplanétaires et les étoiles naissent dans d'immenses amas de gaz et de poussières qui bloquent la lumière visible émise par ces processus. Par contre, le rayonnement infrarouge émis n'est pas intercepté par les nuages de poussières et il est ainsi possible d'observer la formation des étoiles et des planètes à l’intérieur de ces amas. Le JWST doit permettre d'examiner ces régions baignées par les radiations avec une finesse inégalée.

Il y a cinquante ans, les astronomes ignoraient que de nouvelles étoiles continuaient à se former dans l'Univers. Le processus générant des étoiles par effondrement de nuages de poussière et de gaz est encore très mal connu. Il en est de même concernant les interactions entre les jeunes étoiles, dans les régions où elles se forment (les « pouponnières d'étoiles »). Enfin, la découverte de systèmes planétaires aux caractéristiques très différentes de notre Système solaire a bouleversé les théories concernant la manière dont les planètes se forment. Grâce à sa capacité à observer dans l'infrarouge, le JWST doit contribuer à répondre aux questions suivantes :

• comment les nuages de gaz et de poussière s'effondrent-ils pour former des étoiles ?
• comment les systèmes planétaires se forment-ils précisément ?
• pourquoi la plupart des étoiles se forment-elles en groupe ?
• comment les étoiles évoluent-elles et comment éjectent-elles les éléments lourds qu'elles ont produits en fin de vie et qui sont recyclés par la génération suivante d'étoiles et de planètes ?

4- Étude des systèmes planétaires et recherche des éléments propices à la vie

4a-L'observation des des exoplanètes

Depuis le début des années 2000, des milliers d'exoplanètes ont été découvertes, dont certaines ont un diamètre proche de la Terre et se trouvent à une distance de leur étoile qui permet théoriquement la présence d'eau à l'état liquide, ce qui remplit donc une des conditions importantes pour l'apparition de la vie. Un des principaux objectifs du JWST est l'étude de l'atmosphère des exoplanètes afin de déterminer si les constituants permettant l'apparition de la vie (vapeur d'eau, oxygène…) sont présents dans d'autres systèmes solaires que le nôtre. Pour remplir cet objectif, le JSWT utilisera la méthode du transit.

Celle-ci consiste à effectuer une analyse spectrale de la lumière de l'étoile au moment où l'exoplanète s'interpose entre celle-ci et l'observatoire spatial. Lorsque cet événement se produit, la quantité de lumière de l'étoile reçue diminue et sa composition spectrale est modifiée si elle traverse l'atmosphère de l'exoplanète.

Si la planète a une atmosphère, cette dernière va absorber certaines couleurs avec plus ou moins d’intensité. Donc, en mesurant la profondeur de luminosité à différentes couleurs par de la septroscopie de transit, on peut non seulement détecter une atmosphère d’une exoplanète, mais aussi en déterminer sa composition chimique ;

4b-L'observation des planètes du Système solaire

Le JWST doit être également utilisé pour étudier les planètes de notre Système solaire, car sa sensibilité et sa résolution lui permettent de compléter les informations recueillies par les observatoires existants (terrestres, spatiaux et sondes spatiales). Le JWST observera Mars, les planètes géantes, les planètes naines (Pluton et Eris) et les petits corps du Système solaire, mais, par contre, ne pourra pas observer Vénus ni Mercure, trop proches du Soleil. Il permettra de découvrir de nouveaux petits corps célestes : planètes naines, objets de la ceinture de Kuiper, astéroïdes. Les observations porteront notamment sur les matériaux organiques présents à l'état de traces dans l'atmosphère de Mars et les cycles saisonniers des planètes géantes. Le JWST fournira des données spectrales sur les petits corps que les observatoires terrestres sont incapables de produire.

Le JWST doit contribuer à répondre à de nombreuses questions sur cette thématique dont :

• Quels sont les composants des disques protoplanétaires qui contribuent à la formation des planètes ?
• Est-ce que les planètes se forment sur place ou est-ce que leur orbite se déplace ?
• Quel est l'impact des planètes géantes sur les planètes plus petites ?
• Existe-t-il des planètes situées dans la zone habitable de leur étoile, là où de l'eau à l'état liquide (et éventuellement de la vie) existe ?
• Comment la vie s'est-elle développée sur la Terre ?
• Y a-t-il eu de la vie sur Mars ?

JADES-GS-z14-0, dans la constellation du Fourneau, est la plus lointaine galaxie jamais observée

Repérée début 2023 dans des données du relevé JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), puis observée à nouveau en octobre de la même année, c’est finalement un spectre réalisé en janvier 2024 avec l’instrument NIRSpec, en 10 heures de pose, qui a permis de mesurer précisément son redshift (ou décalage vers le rouge).

Affichant le chiffre record de 14,32, il place la galaxie si loin dans l’univers que sa lumière a mis près de 13,5 milliards d’années à nous parvenir ! Dit autrement : nous voyons JADES-GS-z14-0 telle qu’elle était seulement 290 millions d’années après le big bang.

En combinant les données de NIRSpec avec celles obtenues par deux autres instruments du JWST, NIRCam et MIRI, l’équipe a réalisé que leur trouvaille était à la fois brillante et étendue. C’est-à-dire que contrairement à ce qui avait été avancé pour d’autres sources lumineuses à très haut redshift, il ne pouvait pas s’agir d’un trou noir supermassif vu en train d’accréter de la matière. Avec un diamètre d’au moins 3000 années-lumière, c’est bien une collection d’étoiles que l’on voit briller dans l’univers jeune. Elle pèserait plusieurs centaines de millions de masses solaires.

La galaxie est aussi plus rouge que prévu, ce qui signifie qu’elle est polluée par de la poussière. Une propriété inattendue. Dans l’univers très jeune, on s’attend plutôt à ce que l’environnement interstellaire soit pauvre en poussière, car celle-ci est produite par les étoiles en fin de vie ou au moment de leur mort.

Par ailleurs, l’analyse de son rayonnement suggère la présence d’oxygène. Un élément, lui aussi, synthétisé dans les étoiles et dispersé à leur mort. Deux indices qui pointent vers l’existence d’au moins une génération d’étoiles antérieures à JADES-GS-z14-0.

Vers un nouveau scénario pour la genèse des galaxies ?

L’existence d’étoiles nées plus tôt que 300 millions d’années après le big bang n’est pas une surprise, mais la rapidité et la puissance de la formation stellaire suggérées par les propriétés de JADES-GS-z14-0 interrogent. Comment un objet si massif et si mature a-t-il pu se former en si peu de temps ?

D’autant qu’il n’est pas seul ! Un autre spécimen du même genre, doté d’un redshift de 13,9, a été découvert dans la même région du ciel par la même équipe.

Ces observations confirment que les galaxies brillantes et massives existaient déjà dans l’univers précoce, mais indiquent surtout qu’elles étaient au moins dix fois plus abondantes qu’on ne l’imaginait avant le lancement du JWST.

Le télescope spatial infrarouge a précisément été conçu pour cela – sonder l’univers dans une époque plus précoce encore que celle que pouvait atteindre le télescope spatial Hubble. Désormais, il oblige les scientifiques à réviser leurs modèles de la genèse des galaxies.

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