Le 25 décembre 2021 marquera certainement un tournant dans l’histoire de nos connaissances sur le cosmos. C’est à cette date que le James Webb Space Telescope (JWST) quittera la Terre depuis le centre spatial de Kourou en Guyane à bord d’une fusée Ariane 5. Véritable prouesse technologique et fruit de décennies de travail, le JWST devrait nous permettre de répondre à certaines des plus grandes questions que se posent les astrophysiciens, astronomes ou encore planétologues dans le monde.

James-Webb : la relève de Hubble

Le télescope James-Webb est le successeur du désormais culte Hubble. Après 31 ans de bons et loyaux services, celui-ci nous a permis de réaliser des avancées qui ont changé notre vision de l’Univers. Comme toutes les bonnes choses ont une fin, il devrait prochainement prendre sa retraite puis être désorbité dans les années 30. Pour se rendre compte de l’importance de Hubble, développé par la NASA avec une participation de l’Agence spatiale européenne (ESA), il faut revenir sur cinq de ses plus importantes découvertes.

La naissance des étoiles

Grâce à ses détecteurs infrarouges qui lui permettent d’observer les objets très lointains, Hubble a pu explorer la naissance des étoiles, et nous rapporter des clichés spectaculaires de ce que l’on appelle des nébuleuses. Composées de gaz raréfié, de plasma ou de poussières interstellaires, elles offrent un paysage étrange sculpté par les radiations de jeunes étoiles très brillantes.

Les observations de Hubble ont permis de révéler que le processus de naissance des étoiles est un événement très violent, avec d’énormes piliers de gaz qui sont en fait les incubateurs des étoiles en train de naître. Le télescope a par ailleurs capturé des jets énergétiques de gaz incandescent provenant de jeunes étoiles avec des détails sans précédent, et grâce à sa longue durée de vie, les astronomes ont pu observer le mouvement et les changements de forme de ces jets au fil du temps.

Une nébuleuse.

Les Piliers de la création dans la nébuleuse de l'Aigle, immortalisés par le télescope Hubble. Image : NASA, ESA/Hubble

L’étude de ces changements est d’une importance capitale pour comprendre le processus incroyablement complexe par lequel se forment les étoiles.

L’étude des exoplanètes

Si la majorité des plus de 4 000 planètes aujourd’hui identifiées en dehors du Système solaire l’ont été par le télescope spatial Kepler, Hubble a permis de renforcer nos connaissances sur ces astres grâce aux technologies de pointe qu’il intègre.

Par exemple, ses capacités en matière de lumière ultraviolette ont été utilisées pour découvrir un immense nuage d'hydrogène s'échappant d'une planète en orbite autour d'une étoile proche. Cette planète pourrait expliquer l'existence de ce qu'on appelle les super-Terres chaudes, qui auraient subi un processus similaire et sont maintenant dépouillées jusqu'à leur noyau rocheux exposé.

De même, les scientifiques ont utilisé Hubble pour confirmer l'existence d'une planète de la taille de Saturne orbitant autour de deux petites étoiles peu lumineuses en orbite serrée l'une autour de l'autre. Plus généralement, les observations de Hubble ont permis d'identifier des atmosphères contenant du sodium, de l'oxygène, du carbone, de l'hydrogène, du dioxyde de carbone, du méthane et de la vapeur d'eau ; offrant des connaissances précieuses aux astronomes quant aux mondes qui se trouvent en dehors de notre système solaire.

La présence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies

Si nous possédons désormais la toute première image d’un trou noir, Hubble a aidé les chercheurs à mieux comprendre la répartition des trous noirs supermassifs, c’est-à-dire dont la masse est de l’ordre d’un million de masses solaires ou plus. Grâce au télescope, nous savons que quasiment toutes les galaxies abritent un trou noir supermassif en leur centre, mais également que la masse d'un trou noir dépend de la masse du bulbe central d'étoiles de sa galaxie hôte : plus la galaxie est grande, plus le trou noir est grand. Cela suggère notamment que ces astres ont grandi en même temps que la galaxie dans laquelle ils se trouvent.

Un trou noir supermassif émettant des jets.

Vision d'artiste d'un trou noir supermassif, comme on en trouve au centre de quasiment toutes les galaxies. Image : Quantum squid88 / Wikimédia

Hubble a également fourni aux astronomes les toutes premières vues de la matière entourant les trous noirs dans de grands disques plats, ainsi que des images détaillées des jets de particules alimentés par les trous noirs et se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière.

Comprendre la matière noire

Il s’agit de l’une des plus grandes questions actuelles sur l’Univers : qu’est-ce que la matière noire ? Si pour l’heure, elle reste sans réponse, les observations de Hubble ont amélioré les connaissances des astronomes et astrophysiciens au sujet de cette matière énigmatique, qu’ils ne peuvent pas observer directement, mais peuvent détecter son influence en observant comment la gravité des amas massifs de galaxies plie et déforme la lumière des galaxies plus éloignées situées derrière l'amas. Ce phénomène s’appelle la lentille gravitationnelle.

La vision exceptionnellement nette de Hubble permet aux astronomes de cartographier la répartition de la matière noire dans l'espace grâce à cette technique. Les scientifiques en ont ainsi déduit que l'Univers semble contenir environ cinq fois plus de matière noire que de matière ordinaire et semble être organisé autour d'un immense réseau de filaments de matière noire qui se sont développés au fil du temps.

L’âge de l’Univers

Le célèbre astronome américain Edwin Hubble, de qui le télescope tient son nom, a mesuré la vitesse d’expansion de l’Univers grâce à la constante de Hubble il y a près d’un siècle. Toutefois, cette constante restait encore imprécise avant le lancement de Hubble et datait la naissance de l’Univers entre 20 milliards et 10 milliards d’années.

En couplant les observations de Hubble avec celles de télescopes au sol, les scientifiques peuvent désormais affirmer que l’Univers a vu le jour il y a 13,8 milliards d’années. Pour parvenir à ce résultat, ils ont calculé les mesures de distance séparant les galaxies avec les mesures de la vitesse des galaxies.

Ces calculs ont en outre permis de déterminer que l’Univers était en expansion, mais surtout, que cette expansion s’accélérait au fil du temps et certains chercheurs assurent que ce phénomène est dû à l’énergie noire, une sorte d’antigravité qui éloigne les galaxies les unes des autres. Ils espèrent maintenant pouvoir l’observer plus en profondeur.

Hubble a soulevé de nombreuses questions, le JWST va y répondre

Si Hubble a permis de grandement faire avancer nos connaissances sur l’espace, ces découvertes soulèvent également de nombreuses nouvelles questions ; pour y répondre, les scientifiques ont toutefois besoin d’instruments dotés de technologies plus poussées.

Or, il faut savoir qu’entre les premières études et la mise en orbite d’un télescope aussi pointu que le James Webb Telescope, au moins vingt années sont nécessaires. C’est donc en 1989, alors que Hubble n’était pas encore lancé, que sa relève a commencé à germer dans la tête de Ricardo Giacconi, directeur du Space Telescope Science Institute, une organisation par la NASA pour gérer et diriger la recherche faite avec le télescope spatial Hubble.

Un atelier de travail a alors été mis en place avec l’objectif d’un lancement pour 2005. Évidemment, cela a été beaucoup plus long. Le projet a connu de très nombreux retournements de situation notamment car les observations, mais aussi les difficultés rencontrées par Hubble, impactaient le travail des équipes de recherche. C’est à la fin des années 90 et dans les années 2000 que tout s’est vraiment précisé avec notamment l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (CSA) qui ont rejoint le projet. C’est aussi à cette période que les objectifs scientifiques de l’appareil ont été déterminés.

Des décennies de travail

James Webb : d’où vient son nom ?

En 2002, le nom du futur télescope est choisi. Il lui a été attribué en hommage à James E. Webb, deuxième administrateur de la NASA de 1961 à 1968, alors que la conquête spatiale était une véritable course entre les États-Unis et l’Union soviétique. James E. Webb a notamment joué un rôle essentiel dans la réussite historique du programme Apollo, mais il faut savoir que le choix de son nom pour le JWST a créé une véritable polémique.

Dans une pétition signée par 1 200 scientifiques, il lui est reproché d’avoir participé à l’écartement des personnes issues des minorités LGBT au sein de l’Agence spatiale américaine. L’administrateur actuel de la NASA, Bill Nelson, a cependant déclaré qu’« aucune preuve » ne justifiait un éventuel changement de nom du télescope.

Quels constructeurs sont impliqués ?

Durant les deux années qui ont suivi le choix du nom du JWST, la NASA s’est penchée sur les constructeurs qui seraient en charge de le fabriquer. C’est Northrop Grumman, taulier de l’industrie spatiale, ainsi que Ball Aerospace & Technologies, qui a également travaillé sur les télescopes Kepler et Hubble, qui ont pour charge de construire le James Webb Telescope.

Son lancement est quant à lui attribué à la fusée Ariane 5. Si au départ, le lanceur américain Atlas V était envisagé, Ariane a été préconisée car elle offrait une capacité de charge utile plus importante que son homologue.

Combien a coûté le télescope James-Webb ?

Au total, le coût du James Webb Space Telescope est de 10 milliards de dollars, contre 2 milliards de dollars pour Hubble. Incorporant des technologies beaucoup plus avancées que son prédécesseur, il sera également le plus grand télescope spatial de tous les temps. D’ailleurs, il est tellement imposant que les ingénieurs l’ont pensé pour être rétractable : il se dépliera une fois son objectif atteint.

Contrairement à Hubble, qui orbite à une altitude de 560 kilomètres au-dessus de la Terre, le télescope James-Webb ira beaucoup plus loin : au point de Lagrange 2, à environ 1,5 million de kilomètres de notre planète. Bien entendu, cet endroit n’a pas été choisi par hasard : le télescope a besoin d’une température très basse de -223 degrés Celsius pour que certains de ses instruments puissent fonctionner correctement. Par ailleurs, il sera orienté afin que le Soleil, la Terre et la Lune soient toujours du même côté.

Sa position, derrière la Terre par rapport au Soleil, signifie également que la lumière de notre étoile ne l’atteindra jamais, un avantage certain car celle-ci peut altérer ses observations. En revanche, aucune réparation ne sera envisageable en cas de dysfonctionnement, contrairement à Hubble qui a pâti de la maintenance effectuée par des astronautes américains à plusieurs reprises.

Des technologies dans le télescope James Webb pour remonter le temps

L’un des objectifs principaux du JWST est de regarder plus loin que ce qui est actuellement possible. Dans l’espace, plus l’on observe loin, plus on regarde dans le passé. Les chercheurs veulent regarder après il y a 13,5 milliards d’années afin de percer les mystères de la naissance de l’Univers. Les technologies qu’il incorpore vont donc dans ce sens.

Ses miroirs

D’une masse totale de 6 200 kilogrammes, le télescope James-Webb possède un miroir primaire de 6,5 mètres de diamètre. À titre de comparaison, celui de Hubble mesure 2,4 mètres de diamètre. Le miroir, qui permet de collecter la lumière émise par des objets lointains, est composé de 18 segments pliables lui permettant d’être positionné dans une fusée avant son déploiement après le lancement. Le choix du matériau qui compose le miroir, le béryllium, est très judicieux : en plus de rendre le télescope très léger, il est également très costaud.

Les miroirs du télescope James-Webb.

Le miroir principal du télescope James Webb lors de son assemblage. Photographie : NASA's James Webb Space Telescope / FlickR

Le JWST possède au total trois miroirs : tandis que le miroir primaire est concave, le secondaire est convexe, et il travaille légèrement hors axe. Le troisième supprime l'astigmatisme résultant et aplatit également le plan focal. Cela permet d'obtenir un champ de vision plus large, explique la NASA.

Son bouclier

Comme expliqué précédemment, les miroirs du télescope James-Webb doivent opérer à une température très basse pour fonctionner, notamment pour capter le très faible taux de lumière infrarouge émis par les galaxies très lointaines. En plus de son positionnement au point Lagrange 2 lui permettant d’éviter la lumière infrarouge issue d’objets chauds comme le Soleil, le télescope sera protégé par un immense bouclier de la taille d’un terrain de tennis composé de cinq couches faites de Kapton E (​​un plastique très résistant) et recouvertes d'aluminium et de silicium dopé.

En plus de garder le télescope à une température très basse en renvoyant la chaleur du Soleil, le bouclier le protège d’éventuelles sources de lumière parasite.

Quatre instruments pour observer (très) loin

Le JWST sera équipé de deux caméras infrarouges. La première est baptisée NIRCam pour « Near Infrared Camera » : son rôle sera de détecter la lumière émanant des premières étoiles et galaxies en cours de formation, des populations d'étoiles dans les galaxies proches, ainsi que de jeunes étoiles dans la Voie Lactée et d’objets de la ceinture de Kuiper.

La seconde caméra infrarouge, MIRI pour « Mid-Infrared Instrument », se concentrera sur la lumière dans la région de l'infrarouge moyen du spectre électromagnétique, c’est-à-dire la lumière décalée vers le rouge de galaxies lointaines, d'étoiles en formation et de comètes faiblement visibles.

D’une importance capitale pour la mission confiée au JWST, NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph) sera le premier spectrographe dans l'espace avec la capacité de regarder différents objets simultanément, 100 en l’occurrence. Un atout d’une immense utilité pour observer les objets lointains : ils sont si éloignés que le miroir doit les observer pendant des centaines d’heures pour collecter assez de lumière. La capacité multi-objets de l’instrument va permettre un énorme gain de temps. Élaboré par l'ESA et le Centre européen de recherche et de technologies spatiales (ESTEC), NIRSpec observera les galaxies les plus lointaines, c’est-à-dire les premières à se former après le Big Bang.

Le quatrième instrument embarqué par le télescope James-Webb est divisé en deux et s’appelle FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor / Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph). Le premier est le guide qui permet de pointer le télescope précisément où il faut pour obtenir des images de haute qualité. Le second est un autre spectrographe qui a des objectifs scientifiques précis : l’étude et la détection d’exoplanètes.

Les domaines que le télescope James-Webb va révolutionner

Le JWST, s’il parvient à atteindre ses objectifs, va largement faire avancer nos connaissances scientifiques dans différents domaines. Et s’il va nous aider à répondre à certaines questions soulevées par les observations de Hubble, il est fort probable que certaines de ses découvertes laisseront les chercheurs bouche bée. Comme le résume si bien Matt Mountain, directeur de l'Association des universités pour la recherche en astronomie à Washington, et ancien scientifique du télescope James-Webb, « si vous mettez quelque chose d'aussi puissant dans l'espace, qui sait ce que nous pouvons trouver ? Cela va être révolutionnaire parce que c'est tellement puissant ».

Ainsi, les instruments du télescope ont été pensés et mis au point pour réaliser des observations bien plus pointues que ce que nous possédons actuellement, et ce dans quatre domaines distincts.

Observer les débuts de l’Univers

Comme expliqué précédemment, regarder loin dans l’Univers, c’est une véritable fenêtre ouverte sur son passé mais également le nôtre : certains objets sont tellement lointains que la lumière qu’ils émettent met des milliards d’années à nous parvenir. Avec ses instruments flambant neufs lui permettant d’observer de l'orange du spectre visible à l'infrarouge moyen, le JWST devrait remonter le temps au-delà de 13,5 milliards d'années pour voir les premières étoiles et galaxies se former dans l'obscurité de l'univers primitif.

Pour l’heure, nous n’avons pas pu les observer car la lumière qu’elles émettent a tiré vers le rouge, notamment à cause de l’expansion de l’Univers, et nous ne disposons pas encore d’instruments assez puissants pour la percevoir ; le JWST devrait remédier à cela.

Si tout se passe comme prévu, nous pourrons alors observer les premières étoiles et galaxies de l’Univers qui se sont formées juste après le Big Bang, nous permettant ainsi de mieux comprendre comment celui-ci a évolué au fil du temps.

L’évolution des galaxies

En observant les premières galaxies qui se sont formées dans l’Univers, les scientifiques pourront donc les comparer aux grandes spirales et elliptiques d'aujourd'hui, nous aidant à comprendre comment elles s'assemblent sur des milliards d'années. En effet, les galaxies n’ont pas toujours eu le même aspect que celui que nous connaissons, les plus anciennes que nous avons pu observer jusqu’à aujourd’hui sont, au contraire, petites et agglutinées.

Les astronomes espèrent que les données collectées par le télescope James-Webb leur permettront de comprendre comment elles passent de cet état aux véritables mastodontes qui peuplent l’espace aujourd’hui. Par ailleurs, le JWST devrait nous aider à mieux comprendre le rôle des trous noirs supermassifs se trouvant au centre des galaxies et la façon dont ils interagissent avec ces dernières, mais également à cartographier plus précisément la distribution de la matière dans les galaxies, et particulièrement de la fameuse matière noire.

Le cycle de vie des étoiles

Grâce à ses instruments lui permettant d’observer la lumière infrarouge, le télescope James-Webb pourra obtenir des images beaucoup plus nettes des nébuleuses où naissent les étoiles, notamment en voyant à travers les gigantesques nuages de gaz et de poussière dans lesquels elles se forment. Cela va aider les scientifiques à mieux comprendre leur évolution au début de leur cycle de vie, ainsi que la manière dont les systèmes planétaires autour de ces étoiles prennent forme.

Les astronomes espèrent que le JWST leur apportera de nombreuses réponses sur les étoiles, notamment les raisons pour lesquelles elles naissent en groupe, comment les nuages de gaz et de poussière s'effondrent pour former des étoiles, ou encore comment elles évoluent et libèrent les éléments lourds qu’elles produisent dans l’espace pour les recycler en de nouvelles générations d'étoiles et de planètes.

L’étude d’autres mondes

Des milliers de planètes ont été découvertes en dehors du Système solaire. Parmi elles, on compte de nombreuses exoplanètes. Le JWST sera utilisé pour étudier ces mondes plus en profondeur, notamment leur atmosphère. Le télescope fera usage de la méthode du transit, qui consiste à mesurer régulièrement la luminosité d'une étoile afin de détecter la baisse de luminosité périodique associée au passage d'une exoplanète. Les données recueillies par le James-Webb seront couplées à celles de télescopes situés sur Terre.

Le télescope sera par ailleurs en mesure d’obtenir des images infrarouges des planètes géantes et des systèmes planétaires, et de caractériser leur âge et leur masse en mesurant leur spectre, mais également d’observer les corps glacés et la poussière qui se trouvent aux confins de notre système solaire. Ces derniers sont les vestiges des conditions qui y régnaient lorsqu’il était très jeune.

Aussi, le JWST participera à l’étude des planètes et lunes peuplant le Système solaire. Grâce à ses instruments, il pourra par exemple rechercher des molécules pouvant être des signes de vie passée ou présente dans l'atmosphère martienne, et sera d’une aide précieuse pour faire avancer la science planétaire de manière plus globale.

En route vers le passé

Si pour l’heure, il est impossible d’imaginer l’étendue des découvertes que le télescope James-Webb va nous permettre d’effectuer, les experts s’accordent sur un point : il va probablement bouleverser nos connaissances et notre compréhension de l’Univers, notamment car il a été spécialement pensé pour voir au-delà de ce que nous permettent les technologies actuelles, c’est-à-dire d’observer les premières étoiles et galaxies.

Propulsé par la très fiable Ariane 5, le James Webb Telescope mettra près d’un mois pour atteindre le point Lagrange 2. Le déploiement de ses instruments et composants se fera de manière progressive, avec environ cinquante étapes à franchir après son lancement. Cette période sera sans aucun doute très stressante pour toutes les personnes impliquées dans le projet. À titre d’exemple, le bouclier du télescope comporte 140 mécanismes de déclenchement, 70 ensembles de charnières, 400 poulies, 90 câbles et 8 moteurs de déploiement. Sa mission doit durer cinq ans et demi, et les chercheurs espèrent la pousser au-delà de dix ans.

Bien entendu, le jeu en vaut la chandelle, tant l’apport de cet appareil à l’humanité tout entière devrait être considérable. Il s’agit du télescope spatial le plus puissant jamais construit, et il a été imaginé pour répondre aux questions existentielles qui animent les astronomes depuis toujours.