Voici ce que le télescope spatial James Webb observera ensuite

Le monde s'est réuni la semaine dernière dans une rare manifestation d'unité internationale pour regarder avec émerveillement le premières images scientifiques produit par le télescope spatial James Webb. En préparation depuis des décennies et fruit des efforts de milliers de personnes du monde entier, le Le télescope est sur le point de révolutionner l'astronomie en nous permettant de scruter plus profondément que jamais le cosmos avant.

Webb possède le plus grand miroir jamais lancé dans l'espace, ainsi que le plus grand pare-soleil, et c'est le télescope spatial le plus puissant jamais construit. Les premières images ne sont qu’un avant-goût de ce que cette remarquable technologie est capable de faire. Donc, pour en savoir plus sur les futures recherches scientifiques qui seront rendues possibles par ce géant, nous avons parlé à Mark McCaughrean, scientifique interdisciplinaire Webb à l'Agence spatiale européenne.

McCaughrean sera l'un des premiers chercheurs à utiliser Webb pour ses travaux sur le Nébuleuse d'Orion, et il participe à la planification du télescope depuis plus de 20 ans. Il nous a expliqué comment Webb repousserait les frontières de l’astronomie et permettrait des découvertes que nous n’avions même pas commencé à imaginer.

Voir l'univers en infrarouge

Lorsque les astronomes ont commencé à imaginer Webb dans les années 1980, ils avaient un plan précis en tête: ils voulaient un outil de recherche en cosmologie permettant d’examiner les premières galaxies de l’univers.

Les scientifiques savaient que ces premières galaxies existaient et étaient sur le point de nous être accessibles parce que le télescope spatial Hubble avait observé quelques galaxies assez anciennes. En observant la longueur d'onde de la lumière visible, Hubble a pu identifier des centaines de ces galaxies, qui se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang. Mais ces galaxies s’étaient déjà formées et les chercheurs voulaient regarder encore plus loin, pour voir leur formation réelle.

Pour ce faire, ils avaient besoin d’un outil capable de regarder dans la longueur d’onde infrarouge, au-delà de la lumière visible. C’est parce que les premières galaxies émettaient de la lumière visible, tout comme les galaxies d’aujourd’hui. Mais l’univers s’étend avec le temps, ce qui signifie que les galaxies que nous voyons dans le ciel s’éloignent de nous. Plus la galaxie est ancienne, plus elle est éloignée. Et cette distance provoque un phénomène appelé redshift.

Semblable à l'effet Doppler, dans lequel les sons changent leur hauteur perçue en fonction de la distance entre la source et l'observateur changent, la longueur d'onde de la lumière change à mesure que sa source s'éloigne de nous. Cette lumière est décalée vers l’extrémité la plus rouge du spectre, d’où le nom de redshift.

Les galaxies les plus anciennes ont donc une lumière tellement décalée vers le rouge qu’elle n’est plus observable sous forme de lumière visible. Au lieu de cela, il est visible sous forme infrarouge – et c’est la longueur d’onde dans laquelle Webb opère.

C’est ainsi que Webb est capable de détecter et d’identifier les toutes premières galaxies. Si Webb peut voir une galaxie qui brille intensément dans l'infrarouge, mais qui est faible ou invisible pour les télescopes basés principalement sur la lumière visible Comme Hubble, les chercheurs peuvent être sûrs d'avoir trouvé une galaxie extrêmement décalée vers le rouge, ce qui signifie qu'elle est très lointaine, et donc très éloignée. vieux.

Même dans le première image en champ profond depuis Webb, vous pouvez voir des galaxies extrêmement anciennes. L’amas de galaxies au centre de l’image a 4,6 milliards d’années, mais en raison de sa masse, il courbe l’espace-temps autour de lui. Cela signifie que la lumière provenant des galaxies situées derrière cet amas est également courbée, de sorte que l'amas agit comme une loupe dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Certaines galaxies observés dans ce champ profond ont environ 13 milliards d’années, ce qui signifie qu’ils se sont formés au cours du premier milliard d’années de l’univers.

S'étendre pour faire plus

Si Webb a été initialement conceptualisé comme un outil de cosmologie, il s’est rapidement étendu pour devenir bien plus que cela.

Au cours des décennies de planification de Webb, les concepteurs ont réalisé que l’outil qu’ils construisaient pouvait être utilisé dans des domaines bien plus divers que la simple cosmologie. Ils ont ajouté de nouveaux instruments, comme MIRI, qui examine la longueur d'onde de l'infrarouge moyen plutôt que le proche infrarouge et est plus utile pour étudier la formation des étoiles et des planètes que la cosmologie. Cette différence comporte son propre défi puisque cet instrument a différents détecteurs des autres instruments et nécessite son propre glacière. Mais, avec d’autres instruments, il étend ce que Webb peut faire à toute une gamme de possibilités.

"L'objectif initial du télescope était beaucoup plus axé sur l'univers à fort redshift", a résumé McCaughrean. « C’était l’objectif le plus élevé: trouver ces premières étoiles et galaxies qui se sont formées après le Big Bang. Tout le reste est « agréable à avoir ». Mais au fil de l’avancement du projet, nous avons réussi à transformer cela en quatre thèmes: la cosmologie, la formation des étoiles, la science planétaire et l’évolution des galaxies. Et nous nous sommes assurés que l’observatoire serait capable de tout cela.

Caméras et spectrographes

Webb dispose de quatre instruments à bord: la caméra proche infrarouge ou NIRCam, le spectrographe proche infrarouge ou NIRSpec, l'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente ou NIRISS, et l'instrument infrarouge moyen ou MIRI. Il existe également un capteur appelé Fine Guidance Sensor (FGS), qui permet d’orienter le télescope dans la bonne direction.

Les instruments sont un mélange de caméras et de spectrographes, qui sont des instruments permettant de diviser la lumière en différentes longueurs d'onde afin que vous puissiez voir quelles longueurs d'onde ont été absorbées. Cela vous permet de voir de quoi est composé un objet en regardant la lumière qu’il émet.

Si les images prises par les caméras retiennent le plus l’attention du public, les spectrographes ne doivent pas être sous-estimés en tant qu’outil scientifique. Environ la moitié du temps d’observation actuellement alloué est consacrée à la spectroscopie, pour des tâches telles que l’analyse de la composition de l’atmosphère des exoplanètes. Cela s’explique en partie par le fait qu’il faut plus de temps pour prendre le spectre d’un objet que pour en prendre une image, et en partie parce que la spectroscopie peut faire des choses que l’imagerie ne peut pas faire.

Les caméras et les spectrographes fonctionnent également ensemble, car les filtres utilisés en imagerie sont utiles pour sélectionner les objets à étudier avec les spectrographes.

"Imaginez que vous fassiez un champ profond en prenant des images profondes avec NIRCam", a expliqué McCaughrean. « Ensuite, vous utilisez différents filtres pour sélectionner les candidats, car il y aura beaucoup trop de choses à examiner une par une dans ce domaine avec la spectroscopie. Vous avez donc besoin de l’imagerie pour trouver les candidats », par exemple en regardant les couleurs d’une image pour décider qu’un objet donné est, par exemple, une galaxie à fort redshift et non une faible étoile proche.

Cela a déjà été démontré dans la pratique, avec Première image en champ profond de Webb. L'imagerie a été réalisée avec la caméra NIRCam, capable de capturer un grand nombre de galaxies proches et lointaines dans une seule image époustouflante. Puis des cibles particulières, comme un galaxie vieille de plus de 13 milliards d'années, ont été repérés et observés avec le spectrographe NIRSpec, collectant des données sur la composition et la température de cette première galaxie.

"C'est un spectre tellement beau et propre", a déclaré McCaughrean. « Personne n’a jamais vu quelque chose de pareil auparavant, où que ce soit. Nous savons donc désormais que cette machine fonctionne avec une puissance incroyable. »

Plusieurs modes

Pour comprendre toutes les capacités de Webb, vous devez savoir que les quatre instruments n’ont pas qu’un seul mode chacun: ils peuvent être utilisés de plusieurs manières pour examiner différentes cibles. Au total, il y a 17 modes entre les quatre instruments, et chacun d'entre eux devait être testé et vérifié avant que le télescope ne soit déclaré prêt à démarrer des opérations scientifiques.

Par exemple, prenons l’instrument NIRSpec. Il peut effectuer plusieurs types de spectroscopie, y compris la spectroscopie à fente fixe, qui est un mode très sensible pour étudier des cibles individuelles. (comme l'analyse de la lumière émise par la fusion d'étoiles à neutrons appelée kilonova), ou la spectroscopie d'unité de champ, qui examine les spectres de plusieurs pixels sur une petite zone pour obtenir des informations contextuelles sur une cible (comme regarder une galaxie extrêmement lointaine qui a été déformée par la gravité) lentille).

Le troisième type de spectroscopie réalisé par NIRSpec est quelque chose de vraiment spécial appelé spectroscopie multi-objets. Il utilise de minuscules volets en forme de fenêtre disposés dans un format appelé réseau de micro-obturateurs. « Ce sont essentiellement de petits appareils de quelques centimètres de diamètre, et nous en avons quatre. Dans chacun de ces appareils, il y a 65 000 petits volets individuels », a déclaré McCaughrean.

Chacun de ces volets peut être contrôlé individuellement pour s'ouvrir ou se fermer, permettant aux chercheurs de sélectionner les parties d'un champ qu'ils examinent. Pour utiliser ces microobturateurs, les chercheurs prennent d’abord une image à l’aide d’un autre instrument comme NIRCam pour sélectionner les objets d’intérêt. Puis ils commandent l'ouverture des volets correspondant à ces objets d'intérêt, tandis que les autres restent fermés.

Cela permet à la lumière des cibles, telles que des galaxies particulières, de briller sur les détecteurs du télescope, sans permettre à la lumière de l’arrière-plan de s’échapper également. "En ouvrant seulement la porte où se trouve la galaxie et en fermant toutes les autres portes, lorsque la lumière passe par cet objet, il s'étale dans un spectre, et vous n'avez pas toutes les autres lumières qui passent à travers », McCaughrean dit. "Cela le rend plus sensible."

Cette spectroscopie multi-objets peut être utilisée pour observer des galaxies particulières dans des images en champ profond, ce qui est particulièrement utile pour étudier les premières galaxies fortement décalées vers le rouge. Et cette méthode est capable d’obtenir les spectres de jusqu’à 100 objets à la fois, ce qui en fait un moyen très efficace de collecter des données.

Faire face à trop de lumière

Comme le démontrent les micro-obturateurs, une partie délicate du travail avec des instruments très sensibles est la gestion d’une trop grande quantité de lumière. Prenez le travail James Webb fera l'affaire sur Jupiter au cours de ses premiers mois de fonctionnement – ​​il est en fait très difficile d’imager les anneaux et les lunes autour de Jupiter car la planète elle-même est très brillante. Si l'objet faible que vous essayez d'observer se trouve à côté d'un objet très brillant, vos lectures peuvent être altérées et tout ce que vous voyez est la lumière de l'objet le plus brillant.

Un problème similaire se pose lorsque vous essayez d’observer des exoplanètes lointaines, qui sont très sombres par rapport aux étoiles sur lesquelles elles gravitent. Pour relever ce défi, James Webb a un autre tour dans son sac: la coronographie.

NIRCam et MIRI disposent tous deux de modes de coronographie, dont la forme la plus simple consiste à placer un petit disque métallique devant l'objet brillant pour bloquer sa lumière. Vous pourrez alors observer plus facilement les autres sources de lumière plus faibles qui l’entourent. Mais cette approche a ses limites: si l’objet brillant se déplace derrière le disque, sa lumière peut déborder sur les bords et gâcher les observations. Vous pouvez réduire la taille du disque afin qu’il bloque uniquement le point central le plus brillant de l’objet, mais vous auriez alors encore beaucoup de lumière excessive à gérer. Vous pourriez agrandir le disque, mais cela bloquerait alors les autres objets proches de l’objet brillant.

Il existe donc une autre forme de ce mode de coronographie qui utilise du matériel appelé masque de phase à quatre quadrants. "C'est une optique très intelligente", a déclaré McCaughrean. « Il n’a pas de disque métallique, mais quatre morceaux de verre différents qui confèrent différentes phases à la lumière entrante. Lorsque nous considérons la lumière comme une onde plutôt que comme des photons, la lumière a une phase. Si vous placez la source lumineuse directement sur la croix où se rencontrent ces quatre plaques de phase différentes, vous pouvez faites-le de telle sorte que la lumière s'annule réellement de l'étoile, en raison de l'interférence des ondes effet."

Cela signifie que si vous l'alignez parfaitement pour que l'objet brillant soit exactement au milieu de ces quadrants, la lumière de l'étoile sera annulée, mais la lumière d'autres objets comme les planètes sera toujours visible. Cela le rend idéal pour observer des exoplanètes en orbite proche de leurs étoiles hôtes qui autrement seraient impossibles à voir.

Utiliser le temps

Une autre façon de gérer un mélange d’objets clairs et sombres consiste à effectuer plusieurs lectures au fil du temps. Contrairement à quelque chose comme votre téléphone, qui prend une photo puis se réinitialise immédiatement, les détecteurs de Webb peuvent effectuer plusieurs lectures sans se réinitialiser.

"Nous pouvons donc prendre une série de photos au fil du temps avec le même détecteur, à mesure qu'il accumule la lumière provenant des sources faibles", explique McCaughrean. « Mais lorsque nous examinons les données, nous pouvons utiliser les premières images des sources lumineuses avant qu’elles ne saturent, puis continuer à accumuler la lumière des sources faibles et obtenir la sensibilité. Il étend efficacement la plage dynamique en lisant les détecteurs plusieurs fois.

Un autre mode dans lequel les instruments peuvent fonctionner est appelé observations de séries chronologiques, qui consistent simplement à prendre de nombreuses lectures les unes après les autres pour capturer des objets qui changent au fil du temps. C’est utile pour capturer des objets qui clignotent, tels que des étoiles à neutrons pulsées appelées magnétars, ou pour observer des exoplanètes qui se déplacent devant leur étoile hôte dans un mouvement appelé transit.

"Quand une planète transite devant l'étoile, vous voulez l'attraper aux bords du transit ainsi qu'au milieu du transit", a déclaré McCaughrean. "Alors vous continuez à le regarder et vous continuez à prendre des données."

L’un des défis de cette méthode est qu’elle nécessite que le télescope reste dans un alignement presque parfait, car s’il bougeait même légèrement, cela introduirait du bruit dans les données. Mais la bonne nouvelle est que le télescope fonctionne extrêmement bien pour pointer un objet et y rester. place, grâce au capteur de guidage fin qui se verrouille sur les étoiles proches et s'ajuste à toute perturbation telle que l'énergie solaire. les vents.

Les défis liés au travail avec Webb

Comme pour toute technologie, il existe des limites à ce que Webb peut faire. L’une des principales limitations pratiques pour les scientifiques utilisant Webb est la quantité de données qu’ils peuvent collecter à partir du télescope. Contrairement à Hubble, qui orbite autour de la Terre, Webb orbite autour du Soleil à une vitesse poste appelé L2.

C'est à environ 1 million de kilomètres de la Terre, donc Webb est équipé d'un antenne radio puissante qui peut renvoyer des données vers la Terre à un débit de 28 mégabits par seconde. C'est assez impressionnant – comme McCaughrean l'a souligné, c'est nettement plus rapide que le Wi-Fi de son hôtel que nous utilisions. parler, même sur une distance beaucoup plus grande - mais ce n'est pas proche de la quantité totale de données que les instruments peuvent prendre par deuxième.

L'observatoire dispose d'une petite quantité de stockage à semi-conducteurs, environ 60 Go, qui peut enregistrer des données pendant une courte période si les instruments collectent plus de données que ce qui peut être renvoyé, agissant comme un tampon. Cela peut ne pas sembler beaucoup par rapport au type de stockage dont vous disposez généralement sur un téléphone ou un ordinateur portable, mais le les exigences en matière de matériel résistant aux radiations et pouvant résister à des décennies d’utilisation sont plutôt différentes.

Cette limitation signifie que les chercheurs doivent être sélectifs quant aux données qu’ils priorisent dans les liaisons descendantes du télescope, en choisissant uniquement les données les plus vitales pour leurs besoins. Vous vous demandez peut-être pourquoi Webb n’est pas positionné plus près de la Terre dans ce cas, mais l’orbite L2 est essentielle à son fonctionnement – ​​et la raison en est la température.

"Les gens pensent que l'espace est froid, enfin, pas si vous êtes à côté d'un gros objet qui vous réchauffe chaque jour comme la Terre ou le soleil", a déclaré McCaughrean. « Donc, si vous voulez regarder dans l’infrarouge, vous devez vous assurer que votre télescope est incroyablement froid, afin qu’il n’émette pas aux longueurs d’onde que vous essayez d’observer. détecter." C'est pourquoi Webb dispose d'un énorme pare-soleil pour le garder au frais, et pourquoi il est en L2 afin que le pare-soleil puisse bloquer la chaleur du soleil et de l'extérieur. Terre.

« Nous avons construit un observatoire qui doit être en L2, il doit être là pour qu’il fasse froid, afin qu’il puisse fournir cette science. Et comme nous sommes en L2, nous ne disposons que d’une certaine bande passante », a expliqué McCaughrean. "Il n'y a pas de déjeuner gratuit, disons-le ainsi."

La communauté décide

La première année d'observations de Webb est soigneusement planifiée. Au cours des cinq premiers mois de ses opérations scientifiques, il travaillera sur programmes scientifiques à diffusion anticipée, qui sont ceux conçus pour repousser les limites du matériel de Webb et voir de quoi il est capable. Au cours de sa première année, il travaillera sur des programmes sélectionnés en Cycle 1, y compris la recherche sur les exoplanètes, les trous noirs, les champs profonds, etc.

Au-delà de cela, cependant, les futurs travaux à réaliser avec Webb sont largement ouverts. Les chercheurs soumettent des propositions sur les données qu'ils souhaitent collecter à l'aide de Webb, et ces propositions sont examinées par des pairs pour sélectionner celles qui sont les plus intéressantes sur le plan scientifique. "La communauté décide de ce qui sera fait de l'observatoire", a déclaré McCaughrean.

Cette implication de la communauté a déjà modifié la manière dont Webb est utilisé: par exemple, la recherche sur les exoplanètes occupe actuellement environ un tiers du temps d'observation disponible lors du premier cycle de recherche. Lorsque McCaughrean et ses collègues réfléchissaient à la façon dont Webb pourrait être utilisé au début des années 2000, ils n’imaginaient pas il y aurait autant de recherches sur les exoplanètes parce que si peu d’exoplanètes avaient été découvertes à ce moment-là temps.

Cela différencie Webb des missions ayant un objectif très spécifique, comme l’observatoire Gaia de l’ESA, qui est conçu spécifiquement pour créer une carte 3D de la galaxie, et plus comme Hubble, qui a été conçu pour répondre à de nombreux besoins de recherche. "Il s'agit très certainement d'un observatoire à usage général", a déclaré McCaughrean. « Il suffit de regarder Hubble et son évolution au fil des ans. En partie en mettant en place de nouveaux instruments, mais surtout en décidant que la communauté scientifique a différentes priorités et différents domaines à entreprendre.»

Cette flexibilité est possible car Webb est conçu pour être utile à la recherche dans de nombreux domaines, y compris des applications auxquelles nous n'avons pas encore pensé. Webb est projeté pour durer au moins 20 ans, et nous avons à peine commencé à explorer ce que cela pourrait faire pendant cette période.

« C’est ce qui est excitant. Si vous construisez un observatoire polyvalent très puissant et très performant, il est, à bien des égards, limité par la seule créativité de la communauté », a déclaré McCaughrean. "Webb est ce que nous en faisons maintenant."

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