La première image publiée par Webb contient des milliers de galaxies dans un petit cadre. Une partie de cette lumière a quitté sa source il y a environ 13 milliards d'années. Cette image unique résume pourquoi le Télescope Spatial James Webb existe.
Webb est le plus grand télescope jamais placé dans l'espace, équipé d'instruments assez sensibles et aigus pour détecter des objets trop anciens, trop lointains ou trop faibles pour que le Télescope Spatial Hubble les enregistre. Pour y arriver, il a fallu un vaisseau spatial qui se déplie en vol, un écran solaire de la taille d'un court de tennis, et une orbite choisie spécifiquement pour que rien de chaud n'obstrue jamais la vue.
Ce qui suit est moins une visite de belles images qu'un aperçu des choix d'ingénierie derrière eux : où Webb est situé, à quel point il doit être froid, ce qui a failli mal tourner avec son miroir et ce qu'il a trouvé jusqu'à présent.
Le Premier Champ Profond de Webb : Un Seul Pixel du Ciel
L'image qui a présenté Webb au public s'appelle le Premier Champ Profond de Webb, et elle est remplie de bien plus qu'elle ne le semble. Parmi les milliers de galaxies entassées dans ce petit coin de ciel, certaines sont estimées avoir environ 13 milliards d'années, ce qui signifie que leur lumière est partie peu après le début de l'univers lui-même.
Cette densité est l'objectif d'un champ profond : au lieu de cibler un objet, le télescope fixe une région apparemment vide assez longtemps pour que la lumière faible et lointaine s'accumule. C'est une sorte de dossier étrange : pas l'image la plus grande ou la plus brillante, mais un regard en arrière sur la majorité de l'histoire cosmique en une seule exposition.
Une Adresse Permanente à un Million de Milles de Distance
Contrairement à Hubble, qui orbite autour de la Terre à quelques centaines de milles d'altitude, Webb n'orbite pas du tout notre planète. Il orbite le Soleil, se tenant près d'un point d'équilibre gravitationnel appelé le deuxième point de Lagrange, ou L2, à environ 1,5 million de kilomètres, environ 1 million de milles, de la Terre.
Cette distance n'est pas arbitraire. Le point de Lagrange voisin, L1, se trouve à la même distance de 1,5 million de kilomètres du côté le plus proche, vers le Soleil, et c'est déjà un quartier animé : les observatoires solaires incluant DSCOVR, WIND, SOHO et ACE veillent tous de là. Webb avait plutôt besoin du côté opposé, où la Terre, la Lune et le Soleil restent commodément hors de sa ligne de vue.
Ce positionnement paie constamment. Hubble glisse dans et hors de l'ombre de la Terre toutes les 90 minutes, interrompant sa vue selon un horaire strict. Le poste lointain de Webb lui donne une ligne de vue ininterrompue, il peut donc exécuter les opérations scientifiques en continu, jour et nuit, sans ombre à éviter.
Une Côte d'un Mois, Grâce à un Lancement Précis
Se rendre à L2 n'a pas été instantané. Le voyage a pris environ 30 jours du lancement au début de l'orbite opérationnelle de Webb, mais le télescope a couvert la distance de l'orbite lunaire, soit environ un quart de ce trajet, en seulement 3 jours. Le reste du voyage a été une longue et lente dérive contre la gravité.
Cette dérive s'est avérée moins chère que prévu. La fusée Ariane 5 de Webb l'a placée sur une trajectoire si précise que le télescope n'a dû brûler qu'une petite quantité de son carburant de bord pour corriger le cap vers L2. Le carburant économisé se traduit directement par du temps de mission, et les ingénieurs s'attendent maintenant à ce que Webb continue à fonctionner bien au-delà de la durée de vie de 10 ans initialement prévue.
Assez Froid pour Capturer la Première Lumière Stellaire
La faible lumière infrarouge des premières galaxies est facile à noyer, et la plus grande source d'interférence serait le télescope lui-même. Un écran solaire construit à partir de cinq couches séparées résout ce problème en gardant les instruments de Webb refroidis à moins 388 degrés Fahrenheit, assez froid pour que la propre chaleur de l'observatoire n'écrase jamais le signal qu'il essaie de détecter.
Un instrument a besoin de fonctionner encore plus froid que cela. MIRI, l'instrument infrarouge moyen de Webb, fonctionne à seulement 7 kelvins, quelques étapes au-dessus de la température la plus basse réalisable, il peut donc enregistrer les longueurs d'onde infrarouges plus longues et plus faibles que les autres détecteurs du télescope ne peuvent pas atteindre.
Déployer un Origami de 10 Milliards de Dollars
Webb a été lancé le jour de Noël à bord de cette fusée Ariane 5, mais atteindre l'orbite n'était que la moitié du travail. Plié pour s'adapter à l'intérieur du carénage de la fusée, le télescope de 10 milliards de dollars a passé son voyage d'un mois à se déployer, en reconfigurant les miroirs et les structures de support dans la forme qu'ils maintiendraient pour le reste de la mission. Chacune de ces étapes devait réussir sans qu'aucun astronaute ne soit à proximité pour corriger une erreur.
Ce prix et cette dépendance à un déploiement robotique impeccable expliquent pourquoi les ingénieurs décrivent les premières semaines de la mission comme parmi les plus tendues de l'histoire récente de la NASA. Un seul charnière bloquée ou loquet défaillant aurait pu mettre fin à la mission avant qu'elle ne produise une seule image.
Un Miroir qui a Dû Apprendre à se Mettre au Foyer
Le déploiement correct n'était que la première étape ; les segments du miroir devaient alors s'aligner les uns avec les autres avec une précision suffisante pour agir comme une surface unique. Au début, ils ne le faisaient pas : les 18 segments individuels produisaient chacun leur propre image floue de la même étoile cible, plutôt qu'un seul point de lumière net.
La correction a nécessité une technique appelée dispersed fringe sensing, qui comparait les images de 20 paires différentes de segments de miroir pour corriger la majorité du désalignement dans une étape que les ingénieurs appellent Mise en Phase Grossière. Le miroir n'a pas non plus fini de subir des coups après cela. En mai 2022, une micrométéorite de la taille d'une poussière a frappé l'un des segments de miroir de Webb, catalogué C3, dans un impact entre le 23 et 25 mai qui s'est avéré être le cinquième et le plus grand coup de ce type depuis le lancement. Les ingénieurs ont dû compenser en utilisant l'un des actionneurs intégrés du miroir, une réparation rapportée en juin.
Nommé d'après un Homme qui ne L'a Jamais Vu Voler
Le nom du télescope précède son matériel de plusieurs décennies. Il honore James E. Webb, qui a servi en tant qu'administrateur de la NASA de 1961 à 1968, une période couvrant les programmes Mercury, Gemini et Apollo ainsi que les préparatifs des alunissages. Webb a dirigé l'agence au cours de son ère la plus célèbre, mais décédé bien avant que tout matériel portant son nom quitte le sol.
Regarder Vers l'Aube Cosmique
Le champ profond n'était qu'un acte d'ouverture. En mai 2024, Webb a identifié la galaxie la plus lointaine jamais enregistrée : JADES-GS-z14-0, dont la lumière a décollé seulement 290 millions d'années après le Big Bang, la plaçant à un décalage vers le rouge de 14,32. C'est un instantané de l'univers dans sa plus tendre enfance, bien avant que la plupart des galaxies n'aient eu le temps de se former.
Autour de la même période, les chercheurs utilisant les données de Webb ont signalé des preuves d'un trou noir en croissance active dans une galaxie appelée GHZ2, détecté à un décalage vers le rouge de 12,34 quand l'univers avait moins de 400 millions d'années, le trou noir le plus lointain trouvé jusqu'à présent. Trouver un trou noir aussi mature si tôt remet en question les hypothèses sur la vitesse à laquelle ces objets peuvent croître.
Un Instrument Construit pour Lire 200 Objets à la Fois
Repérer des galaxies lointaines est une chose ; lire l'empreinte chimique de leur lumière en est une autre, et c'est le travail de NIRSpec, le spectrogaphe infrarouge proche de Webb. Il peut capturer les spectres de jusqu'à 200 objets séparés simultanément, tous dans une région de ciel mesurant seulement 3,4 par 3,6 minutes d'arc.
Ce multiplexage est ce qui permet à Webb de construire efficacement de grands catalogues de galaxies de l'univers primitif plutôt qu'une cible à la fois. Associé à la capacité d'imagerie profonde qui a produit le Premier Champ Profond de Webb, il transforme un seul pointage du télescope en un ensemble de données qui peut occuper les astronomes pendant des années.