Le télescope spatial James Webb pourrait "révolutionner notre connaissance de l'univers"

C'est l'évènement de cette fin d'année 2021. L'instrument scientifique le plus attendu du XXIe siècle, le télescope spatial James Webb (JWST), va bientôt décoller du centre spatial guyanais (CSG), à Kourou. Initialement programmé le 18 décembre, il a été repoussé au 22, puis au 24, et enfin au 25. Mais si tout se passe bien, le JWST entamera enfin son périple de 30 jours qui doit l'emmener jusqu'au point Lagrange 2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre. L'affaire ne sera pas de tout repos : le beau bébé (12 mètres de hauteur, 22 d'envergure et 6,2 tonnes) qui a nécessité trente ans de développement et 9,7 milliards de dollars d'investissement, a été plié comme un origami afin qu'il tienne dans la coiffe d'une fusée Ariane 5 ECA. Son dépliage, qui doit s'opérer dans l'espace, prendra 29 jours et sera "le plus complexe jamais réalisé dans l'histoire de l'exploration spatiale", témoigne Pierre Ferruit, le responsable scientifique du télescope à l'Agence spatiale européenne (ESA). De quoi promettre de belles sueurs à la Nasa et ses partenaires européens et canadiens.

Les ingénieurs ont recensé "344 points uniques de défaillances". Autant d'étapes critiques - impliquant le déploiement des panneaux solaires, de l'antenne de communication, des cinq couches du bouclier thermique, et des deux miroirs -, qui doivent toutes se dérouler parfaitement sans quoi le télescope ne pourra fonctionner. "Je suis forcément un peu inquiète, mais aussi pleine d'espoir, s'enthousiasme Nicole Nesvadba, directrice de Recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) au laboratoire J-L Lagrange. De toute façon nous ne pourrions pas faire de science sans une certaine audace". Une vision partagée par son collègue Olivier Berné, chercheur CNRS à l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie. "La complexité d'une mission est liée à son ambition scientifique et celle du JWST vise à révolutionner l'astrophysique et notre connaissance de l'univers, lance-t-il. Forcément, pour atteindre un tel objectif, il faut prendre un certain nombre de risques".

Quatre instruments refroidis entre -266 et -233° Celsius

Une fois le déploiement terminé, la Nasa lancera une batterie de tests qui durera cinq mois. La mission du JWST commencera donc, au mieux, fin juin 2022. Comment se dérouleront les observations ? Concrètement, la lumière sera captée par le miroir principal formé de 18 éléments hexagonaux recouverts d'or, un métal qui réfléchit particulièrement bien la lumière infrarouge. "La réflexion sur le miroir primaire sera renvoyée vers le miroir secondaire, positionné au-dessus de lui, qui renverra à son tour la lumière au centre du miroir primaire afin d'entrer dans le système optique et les instruments du télescope", détaille Anthony Boccaletti, directeur adjoint du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Observatoire de Paris - PSL). Les quatre instruments regarderont tous l'espace dans le spectre infrarouge (proche ou moyen).

1. La caméra américaine NIRCam sera le principal imageur de l'observatoire. Il servira notamment à regarder les exoplanètes - les planètes situées hors de notre système solaire - grâce à un coronographe, qui permet de masquer la lumière des étoiles.
2. L'imageur canadien NIRISS fera également des images, en support à NIRCam, mais aussi de la spectroscopie. "Cela permet de prendre l'image d'un objet et de la décomposer en différentes teintes, ce qui permet de trouver des signatures de la composition chimique de l'objet, voir des informations sur son mouvement", explique Pierre Ferruit. Un de ses modes de fonctionnement sera dédié à l'observatoire des exoplanètes, l'autre à celui des galaxies.
3. Le spectromètre européen NIRSpec est un pur spectrographe. Il pourra notamment observer entre 50 et 200 objets à la fois. "C'est très important car le temps du James Webb télescope est précieux", souligne Ferruit.
4. Le couteau suisse américano-européen, MIRI, sera le seul à observer dans l'infrarouge moyen. "Il permet de regarder encore plus dans le rouge que les autres", résume le responsable scientifique du télescope à l'ESA. Il s'agit à la fois d'un imageur, d'un spectrographe et d'un coronographe.

Et pour que les observations soient parfaites, les ingénieurs ont prévu un bouclier thermique de cinq épaisseurs. Il permettra de refroidir tous les instruments du télescope, qui doivent rester à - 233°C, quand il fera +80°C de l'autre côté du bouclier, chauffé par le Soleil. MIRI bénéficiera même d'un "cryocooler", un système de refroidissement actif le maintenant à -266 °C. "C'est seulement 7°C au-dessus du zéro absolu", insiste Anthony Boccaletti, qui a participé à la conception de l'outil américano-européen. Refroidir est un processus fondamental car la chaleur émet des émissions infrarouges. En d'autres termes, si le télescope chauffe, il polluerait ses propres observations."JWST sans bouclier thermique, c'est comme un humain qui regarde le ciel la nuit, mais sous un lampadaire", image Pierre Ferruit.

Capter l'infrarouge pour remonter le temps

Regarder le spectre infrarouge est capital dans l'exploration spatiale puisque cela permet notamment de... Remonter le temps ! En effet, plus la lumière voyage dans l'espace - plus elle "vieillit" - plus elle "rougit". Afin de regarder le plus "loin" possible, il faut donc être en mesure de capter ce spectre. Grâce à sa vision infrarouge, le JWST va donc remonter le temps jusqu'à -13,5 milliards d'années (Ma), soit quelques centaines de millions d'années après le Big Bang (-13,8 Ma) seulement ! Il scrutera alors les "âges sombres" de l'Univers, lorsque les premières étoiles se sont allumées, et que les premières lumières ont été émises. Des télescopes au sol peuvent également regarder dans le spectre infrarouge, mais leurs observations sont perturbées par l'atmosphère terrestre, qui absorbe une partie de ces rayonnements. "Le JWST sera 10 à 100 fois plus sensible que tous les instruments infrarouges existants, nous irons donc plus loin dans le temps et détecterons mieux les objets moins lumineux, nous verrons les premières étoiles et galaxies. Or, comme pour les êtres humains, connaître leur enfance nous expliquera ce qu'elles sont aujourd'hui", souligne Pierre Ferruit. "Nous cherchons à comprendre la nature de ces premières étoiles, car elles ont joué un rôle très important : ce sont elles qui ont ensemencé l'univers en premier : d'abord pendant leur vie, lorsqu'elles ont émis de la matière qui a été dispersée par les vents stellaires, ensuite lors de leur éventuelle explosion".

Nicole Nesvadba travaillera sur trois projets qui cibleront des galaxies formées trois milliards d'années environ après le Big-Bang et dirigera un autre projet ciblant la galaxie 3C326N, bien plus proche. "Ce travail sera primordial pour comprendre comment les galaxies se sont formées initialement et comment elles se sont développées, mais aussi les relations qu'elles entretiennent avec leurs trous noirs supermassifs qu'elles abritent en leur centre", explique-t-elle. Les chercheurs tenteront par exemple de répondre à un mystère de l'astrophysique : pourquoi certaines galaxies ne créent plus d'étoiles depuis des milliards d'années, alors qu'elles possèdent encore suffisamment de matière et de gaz pour le faire ? "Une des manières de répondre est de comprendre le lien entre le trou noir supermassif et la croissance de sa galaxie, poursuit la scientifique. Nous savons déjà que les trous noirs provoquent des turbulences dans les nuages de gaz des galaxies, et nous pensons que cela pourrait perturber la formation d'étoiles dans les nuages de gaz, mais nous voulons comprendre comment et pourquoi". Sans ce processus, notre univers serait très différent : il abriterait des galaxies plus massives, avec plus d'étoiles et, logiquement, plus de planètes. Là encore, la vision infrarouge s'avérera indispensable, puisqu'elle permettra de voir à travers des nuages de gaz et donc d'observer ces processus avec une précision inégalée.

Dresser le portrait des exoplanètes... Et découvrir des biosignatures

L'incroyable épopée scientifique du télescope ne s'arrêtera pas là. Car le JWST va aussi scruter la nébuleuse d'Orion, qui se trouve à "seulement" 1 344 années-lumière de la Terre. "C'est un immense nuage de gaz qui agit comme une pouponnière d'étoile, détaille Olivier Berné, qui participe à ce programme scientifique. Là, se forment des étoiles comme notre Soleil. Et nous pensons que cette nébuleuse est représentative de l'environnement dans lequel s'est formé notre système solaire". Un immense nuage de gaz s'est effondré sur lui-même, donnant naissance à une protoétoile, le Soleil, et à un disque de poussières et de gaz qui a progressivement donné naissance aux planètes, notamment la Terre. Le chercheur utilisera notamment les instruments de spectroscopie du JWST afin de décomposer la lumière des astres qui peuplent la nébuleuse. "Quand vous regardez un arc-en-ciel, les couleurs vous renseignent sur la température, de la même manière, nous allons regarder les couleurs d'Orion afin de déterminer la température des gaz, mais aussi leur densité, ce qui nous permettra de comprendre son histoire, mais aussi de détecter la présence de molécules et d'atomes". Y a-t-il de l'eau dans ces nuages ? Des matières organiques ? Les ingrédients de la recette de la vie sont-ils présents ? "En regardant Orion, nous saurons mieux ce qu'il y avait comme ingrédients au tout début du système solaire", résume le chercheur.

La vision infrarouge du JWST permettra aussi de mieux ausculter les exoplanètes. "James Webb ne va pas découvrir de nouvelles planètes, nous le pointerons vers celles déjà connues, précise Anthony Boccaletti. Mais nous allons pouvoir caractériser les atmosphères de certaines géantes gazeuses, y détecter la présence de nuages, de molécules comme celles d'ammoniaque, de monoxyde et dioxyde de carbone, mais aussi mesurer leur température". Les chercheurs comprendront ainsi l'histoire de ces géantes gazeuses et la manière dont elles se sont formées. JWST visera aussi les "supers Terre", ces exoplanètes telluriques géantes que l'on connaît encore très mal, et notamment celles qui se trouvent dans la fameuse "zone d'habitabilité", ni trop proches, ni trop éloignée de leur étoile, ce qui permet la présence d'eau liquide, essentielle à la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Le JWST tentera de déterminer si ces planètes ont une atmosphère et comment elles sont constituées, s'il y a du méthane ou de l'eau, comme sur Terre.

"Ce télescope spatial ne répondra probablement pas à LA question : y a-t-il de la vie dans l'univers ?', tempère Anthony Boccaletti. Mais il nous apportera beaucoup d'informations, ce qui révolutionnera à coup sûr notre compréhension des exoplanètes". Et encore, tous ces projets ne sont que ceux de la première année de service du JWST, qui doit fonctionner 5,5 ans minimum. "Je pense que les découvertes les plus intéressantes seront... Celles auxquelles on ne s'attend pas du tout ! Et je suis sûr qu'il y en aura, parie Olivier Berné. Ma plus grande attente ? C'est d'être surpris." Une perspective alléchante. Car le JWST nous permettra non seulement de mieux comprendre l'univers dans lequel nous nous trouvons, mais aussi, peut-être, de mieux nous comprendre. "Nous avons parfois tendance à nous recentrer sur nous-même et à oublier le lien de l'humanité avec la nature. Or la science joue un énorme rôle dans la compréhension de ce lien, comme le réchauffement climatique ou encore la crise du Covid nous l'ont rappelé, avance Nicole Nesvadba. Et l'astronomie, qui passionne tant de gens, joue parfaitement ce rôle, parce qu'elle constitue souvent la porte d'entrée des plus jeunes vers la science. Cela nous permet de nous rapprocher rationnellement de l'univers, tout en laissant une porte ouverte vers l'humilité et l'émerveillement".