le JWST Rouen 5 Oct 2018 JP Martin

Mise à jour 22 Octobre 2018

« LE TÉLESCOPE SPATIAL JAMES WEBB JWST

ET SES PRÉDÉCESSEURS »

Par Jean Pierre MARTIN

Physicien, Pdt de la commission de cosmologie de la SAF

Pour « les Vendredi de l’Astronomie » (LVA) à Rouen.

Le Lundi 5 Octobre 2018 à 18H30 Salle Ostermeyer

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.

La présentation, est disponible sur ma liaison ftp et se nomme : JWST ET LES AUTRES 2018.zip , qui se trouve dans le dossier CONFÉRENCES JPM (attention dossier "épais"!) .

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Gérard Pitrou (à gauche de l’image), le Président de LVA fait une courte introduction avant la conférence.

J’avais préparé une présentation un peu longue, où j’introduisais d’abord des notions fondamentales sur la lumière, puis expliquais les différents types de télescopes spatiaux avant de m’intéresser enfin au JWST.

Après discussions avec les collègues de Rouen, cela aurait été trop long, donc après une très courte introduction sur les télescopes spatiaux, j’ai sauté immédiatement au sujet principal, le nouveau télescope JWST.

LES TÉLESCOPES SPATIAUX.

Chaque domaine du spectre électromagnétique est important en astronomie :

· Les ondes radio renseignent sur les gaz interstellaires et les champs magnétiques

· Les micro-ondes donnent des informations sur l’origine de notre Univers avec le bruit de fond cosmologique (CMB)

· L’infra rouge nous renseigne sur les molécules dans l’espace et sur les objets « froids » comme les gaz et poussières autour des jeunes étoiles.

· Le visible nous permet de voir

· L’ultra violet nous indiquent la présence de gaz chauds

· Les rayons X et gamma nous renseignent sur les événements les plus violents de l’Univers : pulsars, étoiles à neutrons, trous noirs …

La combinaison de toutes ces différentes informations nous permet d’atteindre une meilleure connaissance de tous ces corps qui nous entourent.

Une image contenant texte

Description générée avec un niveau de confiance très élevé Mais l’atmosphère est un filtre et ne laisse passer que le visible et certaines ondes radio, donc pour accéder au trésor de toutes les longueurs d’onde, il faut aller dans l’espace !!

Ils sont de plusieurs natures :

· Les purs télescopes spécialisés, comme JWST, Hubble, Spitzer, Chandra, Herschel, etc..

· Les observatoires chargés de mesurer l’espace, comme Hipparcos, Gaia

· Les satellites découvreurs de nouveaux mondes comme Corot, Kepler, TESS

· Les satellites particuliers : SOHO , PSP,
Ou chargés de tester la physique : LISA, Planck

LE JWST.

Après de nombreuses péripéties, augmentations de budget et reports de lancement répartis sur près de 30 ans, le successeur direct de Hubble, le télescope spatial James Webb (du nom du célèbre administrateur de la NASA de l’époque Apollo), un projet mené dans le cadre d’une coopération internationale associant la NASA, l’ESA et l’Agence spatiale canadienne, est maintenant bien sur les rails.

Le lancement, reporté plusieurs fois, est maintenant prévu en Mars 2021.

JWST sera lancé par une Ariane 5 ECA de Kourou, et placé au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil (à 1,5 millions de km de la Terre).

Pourquoi si loin ? (rendant pour le moment toute réparation impossible). Pour des questions thermiques ; plus près il nécessiterait un système cryogénique de refroidissement plus poussé que celui prévu, qui est un refroidissement principalement passif. De plus il sera ainsi loin de toute pollution lumineuse notamment IR.

Durée de vie prévue : 5 à 10 ans, due à la consommation d’ergol toutes les 3 semaines, pour maintenir l’orbite.

C’est le plus grand satellite envoyé dans l’espace à ce jour.

Plus grand, plus performant que Hubble dont il est théoriquement le successeur, il devrait grâce à sa vue dans le domaine infra rouge de 0,6 à 26 microns (rappel : visible de 0,4 à 0,8 et Hubble : 0,2 à 2,4 donc un peu dans les UV et un peu dans l’IR) nous permettre d’appréhender les premières formations de galaxies, 300 millions d’années après le Big Bang.

L’infra-rouge est un domaine correspondant aux objets froids de l’Univers, c’est-à-dire qu’il peut pénétrer les poussières entourant les galaxies dans les disques proto planétaires afin d’étudier ceux-ci.

D’autre part, due au décalage vers le rouge, c’est le télescope idéal pour ces galaxies lointaines et les premières étoiles.

C’est l’Univers profond qui est à sa portée maintenant.

Mais sa mission ne s’arrête pas là ; il devrait aussi être capable de « voir » des exoplanètes de type rocheux ainsi que d’analyser leurs atmosphères.

De plus il pourrait aussi s’intéresser à Mars.

Son miroir est trois fois plus grand que celui de Hubble (6,5m contre 2,4m) donc plus lumineux.

L’ensemble du Webb fait 22m par 14m et a une masse de 6,2t.

Le budget complet de JWST a fortement évolué et devrait finalement se situer un peu en dessous de 10 Milliards de $ !

C’est John Mather, du GSFC, le prix Nobel de physique qui est le responsable scientifique de ce télescope.

C’est un spécialiste de la cosmologie et il a reçu avec son collègue George Smoot, le prix Nobel de Physique en 2006 pour sa contribution à l’étude du bruit de fond cosmologique (CMB) grâce aux mesures du satellite COBE.

Première lumière attendue du Webb, deux mois après sa mise à poste.

LE TÉLESCOPE.

Ball Aerospace, célèbre firme connue pour ses succès de missions spatiales (Deep Impact etc..) est le principal sous-traitant du télescope spatial JWST (James Web Space Telescope), dont le maître d'œuvre est Northrop Grumman.

Il opèrera dans l'Infra Rouge. Pourquoi ? Hubble a déjà défriché le chemin dans le domaine visible et le Webb s’intéresse principalement au domaine lointain, donc touché par le décalage vers le rouge et l’infrarouge. Les étoiles et planètes en formation sont situées au centre de nuages opaques de poussières et de gaz et seul le rayonnement IR permet de les pénétrer.

Il devrait aussi s’intéresser aux exoplanètes et aux signes de vie possible sur celles-ci. Il devrait permettre de « voir » certaines exoplanètes.

Comparaison des fenêtres de détection des trois principaux télescopes spatiaux américains

Voici une vue du télescope spatial James Webb, on reconnaît dans la partie supérieure le miroir primaire constitué de 18 miroirs hexagonaux (3 groupes de 6 miroirs) et le miroir secondaire.

L'ensemble constituant le télescope (OTE = Optical Telescope Element).

Derrière le miroir primaire se trouve la baie d'instruments (ISIM =Integrated Science Instruments Module) la partie inférieure contient les protections solaires (sunshield) qui sont 5 membranes fines de polyester chargées de garder le reste du télescope à des basses températures.

Le côté Soleil et Terre se trouve bien entendu du côté opposé aux miroirs, donc vers la partie inférieure de l'image. Ces écrans servent donc bien à protéger le télescope et ses précieux instruments de la chaleur solaire.

Sous les panneaux de protection se trouvent un jeu de panneaux solaires repliés pour la fourniture d’énergie.

Illustration : NASA/JWST

Origami dans l’espace !

Le miroir primaire et les protections solaires sont de très loin supérieurs à ce que la coiffe d'une fusée peut contenir, aussi un système astucieux de pliage a été mis au point afin qu'un déploiement sans problème dans l'espace se produise.

Le déploiement obéit à une procédure bien précise, qui est celle-ci en simplifiée :

• Déploiement des panneaux solaires et antennes

• Déploiement des protections solaires

• Surélévation de la tour portant les miroirs et instruments

• Démarrage du refroidissement cryogénique

• Déploiement du miroir secondaire

• Déploiement du miroir principal

• Arrivée en L2

Illustration : NASA/JWST

LES MIROIRS.

Comparaison des miroirs de Hubble et du JWST

Le miroir primaire fait 6,5m de diamètre et est constitué de différents segments hexagonaux identiques en Béryllium de 1,3m de diamètre, chacun pesant environ 20kg. Le Béryllium se déforme très peu et en plus c’est un métal très léger (densité 1,8). Par contre il est difficile à usiner et toxique. Chaque segment de ce miroir a été recouvert d’un dépôt ultra fin (120nm !) d’or par évaporation, afin d’assurer la bonne réflexion de la lumière IR reçue. Ce dépôt est recouvert lui-même d’une fine couche de SiO2 (du verre) pour protection. Masse du miroir seul : 625kg.

Ils sont construits par Ball Aerospace & Technologies Corp., Boulder, Colorado

Les miroirs élémentaires doivent être jointifs le plus possible, et ce ne peut être accompli qu’à l’aide d’un système développé à cet usage et appelé Primary Mirror Alignment and Integration Fixture effectuant ses positionnements par pointée Laser.

Chaque segment possède sur sa face arrière six actuateurs permettant de modifier légèrement sa surface et sa courbure pour compenser certains effets indésirables et permettre une mise au point parfaite.

Les miroirs sont montés sur une structure très solide en composite de carbone.

Crédit ASU/NASA

Signalons que les miroirs sont mobiles dans une faible latitude afin de compenser certaines erreurs de mise au point.

On voit ici, le miroir complètement monté dans la salle blanche du GSFC à Greenbelt (Maryland).

Crédits: NASA/Chris Gunn

Le système comprend aussi deux autres petits miroirs afin d’amener l’image dans le plan focal.

Vidéo de l’alignement des miroirs.

On dit que ce télescope serait si précis qu’il permettrait de voir une abeille sur la Lune et d’en mesurer sa chaleur (c’est principalement un télescope IR).

LE BOUCLIER THERMIQUE OU PARE SOLEIL.

Comme le télescope s’intéresse particulièrement aux objets IR, il va falloir que la température des capteurs et de l’électronique ne produise pas de chaleur détectable. Il faut donc refroidir cet ensemble capteurs-électroniques. C’est le rôle du bouclier thermique.

IL faut maintenir une température pour la plupart des capteurs de l’ordre de 50K.

Ce refroidissement est assuré par différentes couches de polymères (pliables bien sûr aussi) de 22m de long et 12m de large.

Ce parasol de 300m2 est large comme un court de tennis. Il assure un refroidissement passif de la partie mesure de 50K. Certains instruments nécessitent un refroidissement cryogénique supplémentaire pour bien fonctionner.

Chaque couche de polymère (Kapton –de Dupont de Nemours- revêtu d’Alu pour la conductibilité électrique, afin d’éliminer toute électricité statique !) est plus froide que la couche inférieure, le vide entre les couches étant un excellent isolant thermique. Le Kapton peut tenir à des écarts de température énormes : -269°C à +400°C !).

Ces 5 couches sont beaucoup plus efficaces qu’une seule couche plus épaisse. De plus elles sont toutes (légèrement) différentes en taille et épaisseur.

Ces couches sont résistantes, mais ne sont pas à l’abri d’un percement à cause d’une micrométéorite, c’est pour cela qu’un processus spécial de fusion entre différentes parties des polymères évite un déchirement à partir de ces points de rupture.

C’est la société NeXolve qui assemble les couches de polyester.

Photo : test des différentes couches chez Northrop Grumann, on remarque les différentes soudures luttant ainsi contre l’augmentation de la taille d’une déchirure.

Crédit NG

Le bouclier est toujours situé face au Soleil de manière à ce que le télescope soit toujours « à l’ombre ».

Le déploiement du parasol a été particulièrement bien étudié et vérifié afin qu’il s’effectue correctement, sinon la mission est compromise.

LES INSTRUMENTS.

Le JWST possède principalement 4 instruments :

• La caméra dans le proche infrarouge (NIRCam), fournie par la NASA par l’intermédiaire de l’Université de l’Arizona

• Le spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSpec), qui fonctionne dans des longueurs d’onde similaires, fabriqué par Astrium GmbH et fourni par l’ESA et dont les détecteurs et l’ensemble de micro-volets sont, eux, fournis par la NASA.

• L’instrument dans l’infrarouge moyen (MIRI) – est fourni par un consortium d’organismes européens (dont le CEA) financés sur des fonds publics et par la NASA, la coordination étant assurée par l’ESA.

• Le détecteur de guidage de précision/caméra à filtre accordable (FGS/NIRISS), est fourni par les Canadiens de l’ASC

En ce qui concerne les instruments, voici un tableau résument leur domaine d’utilisation en longueur d’onde.

Les 4 instruments (Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph [NIRISS], Near InfraRed Camera [NIRCam], Near InfraRed Spectrograph[NIRSpec], et Mid-Infrared Instrument [MIRI]) offrent une complémentarité d’utilisation.

La camera NIRCam (Near Infra Red Camera):

NIRCam est la caméra principale grand champ de JWST dans le domaine du proche IR, de 0,6 à 5 microns.

C’est aussi un élément essentiel pour permettre l’alignement du miroir primaire grâce à son analyseur de front d’onde. Elle a été conçue par l’Université d’Arizona et la société Lockheed Martin.

Cette caméra comprend deux modules redondants de 2,2x2,2 arcmin séparés de 44 arcsec.

Chaque module se répartit les longueurs d’onde entre 0,6 et 2,3 pour l’un (SW=short wavelengths) et 2,4 à 5 microns pour l’autre (LW=long wavelengths).

Chaque détecteur du SW arrive sur 4 CCD de 2040 par 2040 pixels. Pour celle du LW la lumière est dirigée vers un seul CCD.

Divers filtres permettent de sélectionner les gammes de longueurs d’onde voulues.

Un mode coronographe est aussi disponible.

La NIRCam est particulièrement bien adaptée à l’étude de la formation des premières galaxies et amas ; la formation des premières étoiles, et à l’étude des exoplanètes et KBO.

Le NIRSSpec (Near Infra Red Spectrograph) :

Un des instruments les plus importants est celui fourni par l’ESA, le NIRSpec conçu pour détecter le rayonnement émis par les premières étoiles et galaxies qui se sont formées au début de l’existence de l’Univers, quelque 300 millions d’années après le Big Bang.

Le spectrographe décompose le rayonnement infrarouge de ces objets lointains en fonction de ses différentes couleurs, générant ainsi un spectre qui fournira aux scientifiques des données capitales sur la composition chimique, les propriétés dynamiques, et l’âge de ces objets, ainsi que sur la distance qui les sépare de la Terre. Le NIRSpec sera capable d’observer simultanément pas moins de 100 de ces objets. Il fonctionne dans la gamme de 0,6 à 5 microns. La sélection des objets s’effectue à l’aide de micro-volets.

La technologie des micro volets (microshutters en anglais) qui sont de très fines ouvertures de l'épaisseur d'un cheveu qui devraient permettre au télescope de voir des objets à des distances encore jamais atteintes. Le rôle de ces micro volets est de masquer la lumière parasite d'objets non désirés situés au premier plan.

Ces microshutters en silicium sont un développement du Goddard Space Flight Center (GSFC), Greenbelt, Md, USA. Chaque volet est entouré d'une boucle magnétique qui servira à l'ouvrir ou le fermer.

Il y a 62.000 micro volets chacun mesurant 100 par 200 micron.

Ces volets sont arrangés en quatre réseaux identiques de 171 lignes par 365 colonnes, ils laissent passer la lumière vers le détecteur IR de 8 millions de pixels. Ils devront fonctionner à 40K.

Procédure pour prendre une photo avec ce système : on va d'abord à partir de télescope terrestre prendre une photo du coin du ciel à étudier, ensuite on va créer un masque avec ces microvolets qui ne laissera passer que la lumière des objets intéressants qui ira ensuite vers le détecteur. Cette philosophie est valable car ce télescope a un grand champ de vision et que donc ses observations peuvent contenir des millions de sources lumineuses. Ces microvolets vont donc aider à bloquer la lumière des objets perturbateurs.

Harvey Moseley est le PI des microvolets au GSFC, d'après lui cette technologie devrait nous permettre d'aller plus loin (dans le temps) dans la détection d'objets, car les objets les plus brillants (les plus proches) seront masqués, procurant ainsi un gain en sensibilité de la détection.

Le spectro imageur MIRI (Mid Infra Red Instrument):

Comme son nom l’indique, il s’intéresse plus particulièrement au domaine de l’IR moyen (5 à 28 microns), il est dédié à :

À l’étude de la formation des premières galaxies ainsi que de leur évolution
À l’étude de la formation des premières étoiles
À l’étude des systèmes exoplanétaires avec un mode coronographe permettant d’imager des exoplanètes, ce même système permettant aussi la détection de disques circumstellaires.

C’est une coopération Europe/USA dont la part européenne est dirigée par l’ESA. Le CEA (Irfu) participe activement au développement de l’imageur MIRIM de cet ensemble. Il a 3 modes d’observation : imagerie, coronographie (différents masques) et spectro basse résolution.

La coronographie (mise au point par le célèbre Bernard Lyot) est une technique permettant d’atténuer fortement la lumière d’un objet brillant pour permettre l’observation de son environnement (le Soleil pour sa couronne, une étoile pour ses exoplanètes etc..).

Le LESIA a mis au point une nouvelle génération de coronographes, appelés coronographes de phase à 4 quadrants ou QPM (Four-Quadrant Phase Masks) très performants.

Les détecteurs du MIRI nécessitent un refroidissement aux alentours de 6K ; un refroidissement cryogénique doit s’ajouter au refroidissement passif. Ce refroidissement cryogénique a plusieurs étages utilise de l’Hélium en circuit fermé.

L’ÉPREUVE DES TESTS.

On a appris des erreurs de la mise en service de Hubble (légère anomalie de conception du miroir), c’est la raison pour laquelle des tests organisés par des sociétés indépendantes utilisant des procédures différentes, ont été prévus et se sont déroulés depuis plusieurs années.

Ces nombreux tests intermédiaires ont donc eu lieu, mais attachons-nous seulement aux derniers tests généraux avant expédition en Guyane.

Le test final de l’ensemble télescope sans le pare-soleil mais accouplé à l’ISIM (ensemble baptisé OTIS), a eu lieu pendant trois mois, 24 heures sur 24, au centre spatial Johnson à Houston dans l’immense chambre à vide A datant de l’époque Apollo.

Cette chambre refroidie et sous vide a été légèrement modifiée depuis la glorieuse époque de la conquête lunaire. Notamment le système de refroidissement a été amélioré (Hélium au lieu d’Azote liquide) afin d’atteindre les 37K (-236°C) simulant ainsi les conditions spatiales du télescope. Quelques semaines sont nécessaires pour descendre en température, idem pour retourner à l’ambiance..

C’est le plus grand banc de test cryogénique du monde : 16,8m de diamètre, 27,4m de haut, la porte a un diamètre de 12m et pèse 40 tonnes !

Une salle blanche attenante garantit le degré de propreté requis.

Les tests ont été un succès, une équipe française avait d’ailleurs participé à ces tests.

Photo : sortie de OTIS à la fin des tests cryogéniques à Houston

Crédit : NASA/Chris Gunn.

Le déploiement du pare soleil aussi été testé complètement chez Grumann ; les 5 couches ont été dépliées et séparées suivant la procédure qui doit se produire dans l’espace. Ce test a pris plusieurs jours comme cela devrait être le cas en orbite. Le test sur Terre est compliqué par la présence de la gravité, il a fallu supporter l’ensemble des couches sur une structure prévue.

Le déploiement du pare soleil nécessite l’action d’une centaine de micromoteurs qui doivent être déclenchés suivant un ordre bien précis.

Une fois ces tests effectués avec succès, OTIS a été envoyé chez Grumann en Californie pour être associé au pare-soleil et former ainsi l’ensemble JWST.

Arrivée en Février 2018 en Californie pour assemblage prévu Septembre 2018 et expédition à Kourou fin d’année.

CONCLUSION.

Le télescope James Webb est effectivement d’un nouveau type complètement novateur, mais d’une complexité extrême due au fait de sa taille qui nécessite un pliage ultra sophistiqué. Le déploiement dans l’espace est un processus, lui aussi complexe où la moindre vis ou goupille de travers rendrait la mission finie avant d’avoir commencée.

Signalons aussi que ce qui avait été l’avantage de Hubble (la proximité terrestre permettant des opérations de dépannage) est pour le JWST un inconvénient vue son éloignement.

C’est un pari risqué pour la NASA qui joue sa crédibilité encore une fois.

Toute la communauté scientifique espère que tout se passera sans problème.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Le site du JWST à la NASA, très détaillé.

The Amazing Anatomy of James Webb Space Telescope Mirrors par le GSFC

NASA Webb Telescope Mirrors Installed with Robotic Arm Precision par la NASA

James Webb Space Telescope User Documentation

Le JWST chez eo-portal : https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst

La NASA divulgue une vidéo de 65 MB (donc lourde) sur le déploiement et sur la fabrication des miroirs en Béryllium.

Animation vidéo du déploiement dans l’espace : https://youtu.be/vpVz3UrSsE4

Vidéo du placement du télescope dans la cuve de Houston et alignement des miroirs : https://youtu.be/ZM3rnomT9iU

James Webb Space Telescope Sunshield Test Unfolds Seamlessly