Mécanique du télescope spatial Webb : comment la NASA a ouvert la prochaine grande ère de l’astronomie

En tant que New-Yorkais, je dirais qu’essayer de repérer une star depuis Times Square n’est guère plus qu’une course folle.

Pour en apercevoir le moindre aperçu, il faudrait plisser les yeux devant les réverbères fluorescents, les panneaux d’affichage clignotants, les téléscripteurs boursiers et autres distractions lumineuses. Vous feriez mieux de prendre le train à une centaine de kilomètres au nord de l’État. Là-bas, observer les étoiles ne demande plus aucun effort. Une voûte époustouflante d’étincelles plane sur vous, que vous le vouliez ou non.

Mais même de l’endroit le plus profond, le plus sombre et le plus éloigné, vous ne verrez jamais toutes les étoiles à l’œil nu. Vous ne pouvez physiquement pas repérer toutes les galaxies, nébuleuses, exoplanètes, quasars — je pourrais continuer — dans votre champ de vision, même avec votre télescope optique standard préféré. Il y a des milliards et des milliards (sur des milliards) de phénomènes cosmiques supplémentaires. C’est juste que nos yeux humains ne sont pas construits pour voir la lumière qu’ils émanent. C’est ce qu’on appelle la lumière infrarouge.

Ainsi, pas mal de trésors spatiaux nous sont invisibles. Heureusement, cependant, cela ne signifie pas qu’ils nous dépassent.

Comme Stephen Hawking l’a fait remarquer un jour, les humains sont uniques en ce sens que nous trouvons toujours un moyen de transcender nos limites mortelles. Nous le faisons “avec nos esprits et nos machines”. Et, bien sûr, au fil des ans, les astronomes ont développé des solutions de contournement infrarouge fascinantes – ouvrant finalement la voie au télescope spatial James Webb de la NASA.

Combattre une restriction humaine

Déjà, des télescopes spatiaux à gros budget comme Hubble et Spitzer de la NASA élucident certains secrets infrarouges cosmiques. Ils contiennent des instruments qui scannent le ciel à la recherche de la lumière insaisissable, puis traduisent ces informations en signaux compréhensibles par les élèves humains. Ceci, à son tour, nous permet de voir beaucoup de choses dans l’univers qui sont normalement cachées à nos yeux.

Cependant, si ces télescopes massifs sont les épisodes un et deux de la série de détection infrarouge de l’astronomie, le puissant nouveau Télescope spatial Webb – dont la première série d’images à part entière a été publiée le 12 juillet – est une toute nouvelle saison.

Au-delà des capacités infrarouges de Hubble et Spitzer, le JWST est littéralement conçu pour le travail.

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Le télescope avant-gardiste est une machine plaquée or de 10 milliards de dollars bourrée de détecteurs infrarouges, agrémentée de lentilles de haute technologie et programmée avec un logiciel ultrapuissant. Son dispositif sacré s’appelle la caméra infrarouge proche, ou Nircam, et mènera la charge en collectant une multitude de signaux infrarouges de l’espace lointain que les astronomes pourront voir au sol.

C’est pourquoi on dit souvent que le JWST tient la promesse de dévoiler un “univers non filtré”.

Regarder à travers l’objectif JWST au lieu d’un télescope optique standard serait comme regarder les étoiles depuis mon hypothétique zone sombre de New York au lieu de Times Square. Il y aurait une myriade d’étincelles supplémentaires dans les deux cas, même si vous regardez le même ciel. C’est juste que dans notre analogie de la zone sombre et sombre, nous voyons des étoiles supplémentaires parce que nous ne sommes pas inhibés par la pollution lumineuse. Le JWST, quant à lui, collecte la lumière infrarouge de l’espace lointain et la décode pour nous.

Il pointera exactement le même univers que Hubble a scruté pendant des décennies et que les scientifiques ont étudié pendant des siècles, mais il accédera à la luminescence que nous ne pouvons pas voir, révélant peut-être des phénomènes spatiaux cachés comme des trous noirs violents, des exoplanètes exotiques, une grande spirale galaxies et… peut-être même des signaux de vie extraterrestre ?

Ses premières images nous ont déjà pris bien plus que notre souffle. En fait, le personnel de la NASA qui a été le premier à poser les yeux sur les images de “première lumière” du JWST a déclaré avoir été ému aux larmes. “Ce que j’ai vu m’a ému, en tant que scientifique, en tant qu’ingénieur et en tant qu’être humain”, a déclaré Pam Melroy, administratrice adjointe de la NASA.

Mais avant d’entrer dans les détails de la mécanique infrarouge du JWST, nous devons parler du spectre électromagnétique. Plus précisément, un peu une énigme que cela pose pour nous, les humains.

Pourquoi ne pouvons-nous pas voir la lumière infrarouge ?

À un moment donné de votre vie, vous vous êtes peut-être demandé ce que ce serait de voir une nouvelle couleur. Un qui ne peut pas être décrit, la façon dont “vert” n’a pas vraiment de définition au-delà de “la teinte d’une chenille” – ou, si vous êtes un fan d’objectivité, “une longueur d’onde de 550 nanomètres”. Après réflexion, je parierais que vous vous êtes installé dans la réalité troublante que vous ne connaîtrez jamais la réponse.

C’est parce que les couleurs ne sont rien de plus que les produits de la lumière réfléchie par une source.

Différentes couleurs sont dictées par différentes longueurs d’onde de lumière, que vous pouvez imaginer comme des zigzags sinueux de différentes proportions. Lorsque nous voyons un parapluie bleu, par exemple, nos yeux captent des longueurs d’onde bleues plus étroites émanant du matériau imperméable. En admirant un coucher de soleil ardent, nos yeux captent un tas de longueurs d’onde rouges et jaunes plus longues et plus détendues.

Toutes ces longueurs d’onde sont soigneusement organisées sur ce qu’on appelle “le spectre électromagnétique”. Mais voici le problème.

Bien qu’il existe une quantité infinie de longueurs d’onde lumineuses, les humains ne peuvent “voir” qu’une infime partie du spectre : la région de la lumière visible, qui encapsule les couleurs de l’arc-en-ciel. C’est précisément pourquoi nous n’éprouverons jamais le plaisir de voir une couleur non arc-en-ciel.

Notre corps ne laissera pas cela se produire, et nous ne pouvons rien faire pour changer cela – sauf construire un télescope superpuissant, bien sûr.

Espionner des longueurs d’onde secrètes

Parce que la lumière infrarouge tombe au-delà de la région de la lumière visible, malgré son nom, elle n’a pas l’air rouge. Ça ne ressemble à rien. C’est en fait mieux décrit comme une signature thermique – nous pouvons “sentir” les longueurs d’onde infrarouges, c’est pourquoi de nombreux équipements d’imagerie thermique incluent des détecteurs infrarouges. Les pompiers, par exemple, font appel à l’infrarouge pour savoir où un incendie peut brûler dans un bâtiment sans avoir à pénétrer à l’intérieur.

Mais spécifiquement pour l’astronomie, la non-visibilité des longueurs d’onde infrarouges est un problème majeur.

L’univers est en expansion. En permanence. Ce qui signifie que, pendant que vous lisez ceci, les étoiles, les galaxies et les quasars – des objets super luminescents qui agissent comme des lampes de poche cosmiques – voyagent de plus en plus loin de la Terre. Et pendant qu’ils font cela, les longueurs d’onde de la lumière qu’ils émettent s’étirent progressivement de notre point de vue, un peu comme un élastique que l’on tire. Ils s’étendent, s’inclinent et s’étirent jusqu’à ce qu’ils passent à l’extrémité rouge du spectre. Ils “décalent vers le rouge”.

Prenez une étoile qui est née vers le début des temps, par exemple. À un moment donné, une fois que la Terre a vu le jour, cette étoile a peut-être émis des longueurs d’onde de lumière bleue vers notre jeune planète. Mais à mesure qu’elle s’éloignait, parallèlement à l’expansion de l’univers, ces longueurs d’onde de lumière bleue ont commencé à s’éloigner du point de vue de la Terre, devenant de plus en plus rouges… et de plus en plus rouges… et de plus en plus rouges.

“Le décalage vers le rouge est l’étirement de la lumière vers des longueurs d’onde plus longues qui se produit lorsque la lumière se déplace à travers l’univers en expansion et peut être utilisé pour mesurer la distance”, a déclaré Paul Geithner, chef de projet adjoint pour le JWST, dans un communiqué.

En fait, a-t-il déclaré, Nircam du JWST “prendra une série d’images à l’aide de filtres captant différentes longueurs d’onde et utilisera les changements de luminosité qu’il détecte entre ces images pour estimer les décalages vers le rouge des galaxies lointaines”.

Finalement, cependant, ces longueurs d’onde s’étendent même au-delà du spectre de la lumière visible. Ils marchent dans les eaux infrarouges – et ils disparaissent de la vue de notre œil nu. Considérez à nouveau cet ancien exemple d’étoile.

Maintenant, des milliards d’années plus tard, ces longueurs d’onde qui rougissent lentement se sont déplacées jusqu’à la région infrarouge du spectre, de notre point de vue. L’étoile ancienne ne nous envoie que le genre de lumière stellaire que nos yeux ne peuvent pas voir.

Étoiles et galaxies, MIA

Cela signifie que toutes les étoiles et galaxies lointaines, super rares et probablement riches en informations nous sont invisibles, ainsi que tout ce qui est illuminé par ces étoiles et galaxies. Il nous manque les morceaux de l’histoire de notre univers – ses premiers chapitres.

Mais grâce à ses instruments de chasse infrarouge, les détecteurs infrarouges du JWST pourraient nous montrer ces pièces manquantes. Ils pourraient élucider à quoi ressemblait le cosmos pendant ses premiers instants après le Big Bang. Ils pourraient également trouver des exoplanètes lointaines flottant parmi leurs propres exomoons et rechercher une lumière artificielle lointaine qui pourrait signaler une vie extraterrestre. Ils nous offriront un paysage de l’univers suffisamment clair pour nous rappeler notre place microscopique dans celui-ci.

De plus, pour aller encore plus loin, les longueurs d’onde infrarouges ont l’avantage supplémentaire d’être suffisamment longues pour traverser la matière, y compris d’énormes et épais nuages ​​de poussière d’étoiles. Ainsi, si le JWST capte la lumière infrarouge rayonnant d’un tel nuage, il serait capable de peindre une image de la scène à l’intérieur – peut-être même une scène d’étoiles anciennes en train de naître.

“On ne sait pas comment l’univers s’est transformé d’un état plus simple de rien d’autre que de l’hydrogène et de l’hélium à l’univers que nous voyons aujourd’hui”, a déclaré Geithner. “[T]Le télescope Webb verra des étendues lointaines de l’espace et une époque de temps jamais observée auparavant et nous aidera à répondre à ces questions importantes.”

Mais l’aspect le plus convoité du JWST est que, en plus des questions que les scientifiques se posent depuis des décennies, il pourrait très bien répondre à quelques-unes que personne ne pensait poser.