Lancement réussi du télescope spatial James Webb

L’observatoire astronomique conjoint de la NASA, de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de l’Agence spatiale canadienne (ASC), le télescope spatial James Webb (JWST), a été lancé avec succès du Centre spatial guyanais en Guyane française à 12h20 UTC le 25 décembre. L’engin spatial a été soulevé au-dessus de la Terre à bord d’un véhicule de lancement Ariane 5 et passe maintenant devant la Lune pour se rendre à son point d’observation final.

Lorsqu’il sera pleinement opérationnel, le JWST scrutera l’Univers plus profondément que tout autre instrument astronomique précédent. Son miroir primaire est constitué de 18 segments hexagonaux plaqués or, conçus pour se combiner en un miroir de 6,5 mètres de diamètre, soit plus de sept fois la puissance de collecte de lumière du télescope spatial Hubble (HST). Il a été conçu par des milliers de scientifiques et d’ingénieurs de 20 pays et permettra de voir plus loin – et donc de remonter plus loin dans le temps – jusqu’à l’époque où les premières galaxies se sont formées, il y a plus de 13,5 milliards d’années.

Le télescope spatial James Webb quelques instants après sa séparation de l’étage final de son véhicule de lancement Ariane V, environ 29 minutes après le décollage. Le golfe d’Aden sur Terre est visible en arrière-plan. (Photo: Arianespace, ESA, NASA, Agence spatiale canadienne, CNES)

Webb marque une immense réussite scientifique et technique. Son développement au cours de 25 années est une nouvelle justification de la perspective matérialiste de l’histoire, selon laquelle les humains peuvent développer une compréhension scientifique de la société et du monde et, grâce à cette compréhension, maîtriser la nature et eux-mêmes. Dans le même temps, l’attitude rétrograde de la bourgeoisie à l’égard de la science s’est manifestée dans les propos de Bill Nelson, administrateur de la NASA et ancien sénateur démocrate de Floride, qui a affirmé que l’astronomie s’apparentait à «la gloire de Dieu» parce que «le firmament montre l’œuvre de sa main», citant le psaume 19, et parce que les télescopes «captent la lumière depuis le tout début de la création».

La première des centaines d’étapes du déploiement complet du télescope s’est jusqu’à présent déroulée sans encombre. Le lancement, la séparation du télescope du dernier étage de la fusée et la libération du panneau solaire du JWST se sont déroulés exactement comme prévu. La quatrième étape importante, une première combustion de correction de trajectoire 12,5 heures après le lancement, a placé le télescope sur une trajectoire calculée avec précision vers son emplacement de maintien à poste opérationnel. Un jour après la mise à feu, l’antenne de communication à gain élevé du vaisseau spatial s’est déployée, ce qui permettra aux contrôleurs de mission de commander manuellement tous les déploiements ultérieurs.

Il reste cependant des centaines d’étapes à franchir avant que le JWST ne soit pleinement opérationnel, la plus cruciale étant le déploiement du délicat écran solaire du télescope. Le JWST est optimisé pour l’observation dans l’infrarouge, ce qui signifie que les miroirs et les détecteurs doivent être maintenus très froids pour pouvoir fonctionner. Le pare-soleil est constitué de cinq couches de Kapton, un matériau extraordinairement fin et léger, recouvert de métaux réfléchissants qui renvoient la chaleur du Soleil, ainsi que celle de la Terre et de la Lune, et conçu pour séparer un côté chaud de 110 degrés Celsius (230 degrés Fahrenheit) d’un côté froid de -223 degrés Celsius (-370 degrés Fahrenheit) en seulement deux mètres.

Cependant, pour pouvoir être placé dans Ariane 5, le pare-soleil a dû être replié, et chacune de ses couches doit maintenant être découverte, déployée et tendue dans l’espace. Des dizaines d’étapes individuelles doivent être parfaitement exécutées au cours des prochains jours, toutes commandées à distance car le télescope est bien au-delà de la portée de l’humanité pour une mission de réparation habitée. Si l’une des étapes échoue, le télescope sera paralysé, voire condamné.

Le miroir a été plié de façon similaire et doit subir un déploiement analogue. Une fois le pare-soleil déployé, des moteurs fixés au miroir secondaire et aux deux «ailes» du miroir primaire, chacune composée de trois segments de miroir, déplaceront régulièrement chaque aspect du télescope en place. Des verrous maintiendront ensuite les différentes parties ensemble, complétant ainsi l’assemblage du miroir.

Une image du JWST lorsqu’il sera entièrement déployé. (Source: NASA)

Si tout va bien, le pare-soleil sera déployé au début de la semaine prochaine, et les miroirs seront verrouillés en place une semaine plus tard. Au cours des deux semaines suivantes, les différents segments de miroirs seront alignés les uns avec les autres pour former le plus grand télescope spatial.

Lorsque cet alignement sera terminé, 29 jours après le lancement, le JWST effectuera une dernière combustion d’insertion pour entrer dans son orbite finale au point de Lagrange 2 (L2) Soleil-Terre. Cette destination est un point de stabilité gravitationnelle qui se trouve perpétuellement derrière la Terre par rapport au Soleil, à 1,5 million de kilomètres. Cette option orbitale est populaire pour l’astronomie - les télescopes qui ont utilisé ce point comprennent les satellites cosmologiques Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) et Planck, ainsi que les télescopes spatiaux Herschel et Gaia - car elle offre un isolement de la chaleur du Soleil et de la Terre, ainsi qu’un maintien en position avec un minimum de carburant.

Une fois que le JWST se sera installé sur son orbite autour de L2, les opérateurs du Space Telescope Science Institute à Baltimore, dans le Maryland, commenceront la mise en service complète du vaisseau spatial pour les missions scientifiques, qui devraient débuter dans six mois.

Histoire et science des télescopes spatiaux et du JWST

La conception moderne de l’astronomie rendue possible par la mise en orbite d’un télescope au-dessus de l’atmosphère terrestre remonte à 1946, lorsque Lyman Spitzer Jr. (1914-1997) a rédigé un article intitulé «Astronomical Advantages of an Extra-terrestrial Observatory». Il a noté qu’un télescope spatial pourrait observer des longueurs d’onde de lumière qui ne peuvent pas pénétrer l’atmosphère terrestre et enregistrer des images de meilleure qualité sans la perturber. De tels observatoires, disait-il, ne devaient «pas compléter nos idées actuelles sur l’univers dans lequel nous vivons, mais plutôt découvrir de nouveaux phénomènes non encore imaginés, et peut-être modifier profondément nos concepts fondamentaux de l’espace et du temps.»

Depuis 1964, l’astronomie américaine a entrepris tous les dix ans une étude délibérative impliquant l’ensemble de sa communauté scientifique afin d’organiser et de hiérarchiser ses tâches les plus fondamentales et les plus vastes, parmi lesquelles faire de la vision de Spitzer une réalité. Ces «Decadal Surveys» décrivent les améliorations à apporter aux réalisations passées et l’expansion des aspirations au fur et à mesure que la science progresse. Le rapport anticipé des années 1970 était explicite: «L’objectif ultime... devrait être le développement d’un observatoire spatial national [qui deviendrait le télescope spatial Hubble]... Le rôle passionnant qu’un tel grand télescope spatial (LST) pourrait jouer en astronomie dans les décennies à venir est discuté. Le LST devrait permettre une bien meilleure compréhension des problèmes les plus fondamentaux de la cosmologie, ainsi que du large éventail de problèmes astronomiques actuellement étudiés.»

Le rapport sur les années 1980 notait que ce programme continu, qui a culminé avec le lancement du télescope spatial Hubble en 1990, «représentera l’une des avancées les plus importantes en matière d’instrumentation astronomique depuis le premier télescope de Galilée.» Le rapport soulignait également l’importance du suivi des télescopes spatiaux pour étendre la portée de l’astronomie dans l’infrarouge, dont une grande partie ne peut pénétrer l’atmosphère. Le rapport décennal des années 1990 plaçait le télescope spatial Spitzer dans l’infrarouge en tête de liste des priorités spatiales après Hubble, mais notait: «Nous devons commencer dès maintenant la planification conceptuelle et le développement technologique de la prochaine génération de missions d’astronomie [spatiale] à venir», donnant comme exemple un télescope aux spécifications remarquablement proches du JWST. Le rapport décennal de suivi des années 2000 a placé ce «télescope spatial de prochaine génération», comme on l’appelait jusqu’en 2002, au premier rang de ses priorités (et de ses coûts): «Son potentiel de nouvelles découvertes rivalisera facilement avec celui du HST lors de son lancement».

Une telle planification conceptuelle doit nécessairement s’attaquer non seulement à la science connue, mais aussi aux futures découvertes anticipées rendues possibles par l’amélioration des techniques. Les premières réunions de planification de ce qui allait devenir le JWST ont eu lieu avant même le lancement de son prédécesseur Hubble. L’une des principales tâches scientifiques prioritaires était de mieux caractériser la formation et les propriétés des planètes situées en dehors de notre propre système solaire, et ce avant même qu’une seule planète extrasolaire n’ait été identifiée!

À titre d’exemple, la principale justification scientifique initiale du télescope spatial Hubble était d’enregistrer les propriétés d’une catégorie particulière de pulsars qui servent d’étalon pour mesurer les distances plusieurs fois plus loin que ne le permettaient les télescopes au sol. L’étalonnage des distances dans l’univers reposerait ainsi sur une base plus solide et soulèverait peut-être de nouvelles questions dans le consensus de la compréhension cosmologique. Tout cela s’est produit – y compris les nouvelles questions – mais comme l’avait prévu Spitzer, bien d’autres choses allaient se révéler au cours de ses années de productivité.

Ainsi, Hubble a également confirmé l’hypothèse de trous noirs géants au centre des galaxies; pris des images ultra-profondes de l’univers à de grandes distances en remontant jusqu’aux premiers assemblages de galaxies; établi l’existence de filaments de matière reliant les galaxies; sondé la chimie du gaz entre les étoiles; il a résolu les images des disques de gaz qui s’effondrent autour des étoiles naissantes et à partir desquels on pense que des planètes se forment. Il a vérifié que les puissants sursauts gamma ne sont pas proches mais à de vastes distances cosmologiques et que, pendant leur durée de vie de plusieurs secondes, ils sont les objets les plus brillants de l’univers, et bien plus encore.

Suite au succès de Hubble, quatre thèmes de découverte scientifique ont été définis pour le JWST: 1) découvrir la «première lumière», lorsque l’obscurité de l’univers en refroidissement après le Big Bang, rempli uniquement de gaz, a commencé à se remplir d’étoiles nouvellement nées; 2) caractériser le premier assemblage de galaxies à partir de ces étoiles et du gaz à partir duquel elles se sont formées; 3) détailler les processus impliqués dans la naissance des étoiles modernes et des systèmes planétaires qui les entourent; et 4) étudier ces systèmes planétaires pour découvrir les origines de la vie.

Instruments et capacités du JWST

La réalisation de ces aspirations a dicté la taille du télescope, les couleurs de lumière qu’il pourrait détecter de manière optimisée, et la combinaison d’instruments et leurs capacités qui traiteraient la lumière après que le télescope l’ait collectée. Quatre instruments se trouvent à l’extrémité du télescope, chacun étant optimisé pour étudier la lumière collectée de manière différente.

Trois des instruments enregistrent principalement la lumière visible et la région proche qui s’étend au-delà de l’extrémité rouge du spectre visible. Il s’agit de la grande caméra d’observation de 40 mégapixels NIRCam fournie par l’Université de l’Arizona, du spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSPec) construit par la NASA et son Goddard Space Flight Center et du détecteur de guidage fin/imageur dans le proche infrarouge et spectrographe sans fente (FGS/NIRISS) construit par l’ASC. Les deux spectrographes séparent et enregistrent la distribution de la lumière par couleur pour produire une sorte d’empreinte digitale qui révèle les propriétés physiques des objets observés; dans le cas de NIRSpec, des centaines peuvent être enregistrées simultanément.

Le dernier instrument, l’instrument infrarouge moyen (MIRI), conçu par l’ESA avec des contributions de la NASA et du Goddard Space Flight Center, va bien au-delà de la lumière visible, s’étendant à des longueurs d’onde cinq fois plus longues que celles des autres instruments, ou 35 fois au-delà des longueurs d’onde que l’œil humain peut percevoir. À ces longueurs d’onde, il effectue à la fois l’imagerie et la spectroscopie de ses cibles.

L’accent mis sur la lumière infrarouge est dû à plusieurs facteurs: le télescope spatial Hubble a été optimisé pour observer la lumière visible et des longueurs d’onde ultraviolettes encore plus courtes. Le JWST viendra compléter ses capacités. Mais l’accent mis sur l’univers primitif et sur l’effondrement des nuages de gaz froid qui forment les galaxies, les étoiles et les planètes dicte également ce principe de conception. L’univers primitif s’éloigne rapidement de nous, et cette expansion déplace vers l’infrarouge – de façon spectaculaire à ses limites – les couleurs du rayonnement émis par les objets au moment où il nous atteint. De plus, les protogalaxies, les proto-étoiles et les protoplanètes sont froides par rapport aux objets les mieux étudiés par Hubble en lumière visible: elles émettent la grande majorité de leur rayonnement dans l’infrarouge. De plus, ces objets sont poussiéreux, et la poussière empêche la lumière visible d’émerger. Enfin, lors de l’étude des planètes situées en dehors du système solaire, l’éblouissement des étoiles parentes, énormément plus brillantes, est réduit par rapport à la luminosité des planètes elles-mêmes dans l’infrarouge.

Enfin, la technologie infrarouge elle-même était primitive lorsque Hubble a été conçu et construit. Elle a énormément progressé en termes de taille et de sensibilité des «puces» à l’état solide utilisées pour l’enregistrer, ce qui a ouvert de nouvelles perspectives de découverte.

Les optimisations pour ces études imposent de maintenir le télescope à 1,5 million de kilomètres de distance sur son orbite de stationnement L2, où il peut se protéger perpétuellement de la chaleur non seulement du Soleil mais aussi de la Terre. Cela a motivé le développement d’un pare-soleil sophistiqué permettant au télescope de se refroidir, même sans réfrigération supplémentaire, à des températures de seulement 45 kelvins au-dessus du zéro absolu. Pour l’instrument MIRI, qui sonde le plus loin dans l’infrarouge et étudiera les objets les plus froids, elle a dicté l’ajout d’une réfrigération supplémentaire pour refroidir encore plus ses composants, à seulement 7 kelvins au-dessus du zéro absolu. Sinon, sa propre chaleur contaminerait ses mesures.

La politique capitaliste et le programme spatial

Les nombreuses possibilités scientifiques de Webb ont cependant été longtemps perturbées par les nombreux retards et annulations avortées du projet. Le développement formel d’un télescope au-delà de Hubble a commencé en 1989, un an avant le lancement de cette mission. Les astronomes étaient conscients que Hubble était, d’un point de vue observationnel, non pas la fin mais le début de ce qui pouvait être réalisé par un observatoire spatial.

Ces plans ont donné lieu à une proposition soumise en 1996, intitulée Next Generation Space Telescope (télescope spatial de nouvelle génération), qui prévoyait un télescope de 8 mètres de diamètre qui serait lancé en 2007 et un budget estimé à 500 millions de dollars. Le budget initial de 1996 n’aurait en réalité jamais pu être atteint par un projet aussi ambitieux, et a été fixé par les dirigeants de la NASA dans les années 1990, alors que l’agence faisait pression pour obtenir des engins spatiaux «plus rapides, meilleurs et moins chers». Une bien meilleure estimation du coût a été publiée en 1984 par le Space Science Board, qui a noté qu’un observatoire infrarouge construit après Hubble coûterait environ 7 milliards de dollars en dollars 2006.

L’estimation de 1984 s’est avérée assez précise. En 2002, l’estimation du coût du projet par la NASA était passée à 2,5 milliards de dollars, l’année même où le projet a été renommé en l’honneur du deuxième administrateur de la NASA (1961-68), James E. Webb. Cette année-là, la taille du miroir a également été réduite, passant de 8 mètres à la conception actuelle de 6,5 mètres. En 2006, le coût est passé à 4,5 milliards de dollars.

Certains de ces retards ont été causés par le développement et la concrétisation de la science qui sous-tend la mission. Un important rapport d’avancement de cette année-là décrivait le JWST comme un «grand télescope spatial froid, optimisé pour l’infrarouge, conçu pour permettre des percées fondamentales dans notre compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies, des étoiles et des systèmes planétaires». Aujourd’hui, cependant, il est entendu que les capacités du télescope sont en fait inadéquates pour détecter les premières étoiles individuellement, bien que l’on espère que les premières galaxies pourront être enregistrées.

Au-delà des difficultés et des coûts réels de la construction d’un engin spatial aussi complexe, le projet a également souffert de plus d’une décennie de sous-financement de la part des Congrès dirigés par les démocrates et les républicains. Plutôt que de fournir le financement nécessaire au JWST dès le départ, la NASA s’est vue allouer tout juste assez de fonds pour poursuivre le projet année après année, provoquant un effet boule de neige de retards et de coûts supplémentaires.

Ce processus a culminé en 2011, quatre ans après la date de lancement initiale, alors que 3 milliards de dollars avaient été dépensés et que les trois quarts du matériel du télescope étaient en cours de développement. Plutôt que de poursuivre le projet, la commission des crédits de la Chambre des représentants chargée du commerce, de la justice et des sciences a proposé de l’annuler purement et simplement. Il n’a été sauvé qu’après une immense levée de boucliers, tant de la part de la communauté astronomique que du grand public, contre l’impact dévastateur sur les futures entreprises scientifiques.

Le coût total du projet est maintenant estimé à environ 10 milliards de dollars.

Bien que la communauté des astronomes ait généralement soutenu le JWST, celui-ci a suscité des critiques en raison de son immense coût et de sa complexité. En raison du coût élevé du télescope, de nombreux autres projets ont été repoussés ou annulés. Dans un article paru dans Natureen 2010, on pouvait lire que le JWST était «le télescope qui a mangé l’astronomie». La grande complexité de la mission signifie que si quelque chose ne va pas d’ici au déploiement du télescope, les 25 dernières années pourraient se traduire par un gain astronomique nul.

Le fait que le JWST coûte si cher n’est toutefois pas une véritable raison de s’opposer à la mission. Lorsque le Congrès a proposé de l’annuler en 2011, cette même instance n’a eu aucun mal à adopter le budget de la défense de 712 milliards de dollars de l’administration Obama. En revanche, le montant total dépensé par la NASA depuis sa création (ajusté en fonction de l’inflation) est d’environ 650 milliards de dollars, dont un quart a été consacré au programme Apollo qui a envoyé des hommes sur la Lune. Le manque de financement en astronomie – ainsi qu’en science, en soins de santé, en éducation et dans tous les autres aspects de la vie sociale – est dicté avant tout par le besoin du capitalisme américain et mondial de nourrir l’appétit toujours croissant du marché boursier et d’alimenter la pulsion de guerre à travers le monde.

Comme le notait le physicien des particules Robert Wilson en 1978: «Il n’y a jamais eu d’électricité française, de mécanique allemande ou de physique atomique américaine. Tout le domaine avance comme une grande collaboration internationale, et la physique est la même dans tous les pays du monde.» L’astronomie spatiale est l’une des démonstrations les plus fondamentales de ce principe.

(Article paru en anglais le 28 décembre 2021)

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