La NASA prévoit de publier les premières images prises par le télescope spatial James Webb (JWST) le 12 juillet 2022. Ils marqueront le début de la prochaine ère de l'astronomie, car Webb - le plus grand télescope spatial jamais construit - commencera à collecter des données scientifiques qui aideront à répondre aux questions sur les premiers moments de l'existence de l'univers et permettront aux astronomes d'étudier les exoplanètes plus en détail que jamais auparavant. Mais il a fallu près de huit mois de voyage, de configuration, de test et d'étalonnage pour s'assurer que ce télescope le plus précieux était prêt pour les heures de grande écoute.
Le plus puissant espace le télescope, une fois en orbite, scrutera plus loin dans l'espace - et donc plus loin dans le temps - que n'importe quelle technologie précédente, permettant aux astronomes de voir les conditions qui existaient peu après le Big Bang.
Où tout commence pour le télescope de la NASA ?
Dans notre galaxie, la Voie lactée, le télescope explorera des mondes extérieurs au système solaire - des planètes extrasolaires ou des exoplanètes - en étudiant leurs atmosphères à la recherche de signes révélateurs de vie, tels que des molécules organiques et de l'eau.
Suite au lancement réussi du télescope James Webb le 25 décembre 2021, l'équipe a entamé le long processus consistant à le déplacer dans sa position orbitale finale, à démonter le télescope et, une fois les choses refroidies, à calibrer les caméras et les capteurs à bord. Le lancement s'est bien passé. L'une des premières choses que les scientifiques de la NASA ont remarquées était que le télescope avait plus de carburant à bord que prévu pour les futurs ajustements de son orbite. Cela permettrait à Webb de fonctionner beaucoup plus longtemps que l'objectif initial de 10 ans de la mission.
La première tâche du voyage lunaire de Webb vers son emplacement final en orbite était de déployer le télescope. Cela s'est déroulé sans accroc, à commencer par le déploiement du pare-soleil qui permet de refroidir le télescope. Ensuite, il y a eu l'alignement des miroirs et l'inclusion de capteurs. Les caméras de Webby refroidissaient, comme les ingénieurs l'avaient prédit, et le premier instrument que l'équipe a allumé était la caméra infrarouge proche, ou NIRCam. NIRCam est conçu pour étudier la faible lumière infrarouge émise par les plus anciennes étoiles ou galaxies de l'univers. Mais et ensuite ?
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L'univers primitif dans le domaine infrarouge
Parce que la lumière prend un temps limité pour voyager dans l'espace, lorsque les astronomes regardent des objets, ils regardent en fait dans le passé. La lumière du Soleil prend environ sept minutes pour atteindre la Terre, donc quand nous regardons le Soleil, nous le voyons tel qu'il était il y a sept minutes.
Nous voyons des objets éloignés tels qu'ils étaient il y a des siècles ou des millénaires, et nous observons les objets et les galaxies les plus éloignés avant même la formation de la Terre, et au moment où nous les voyons, ils peuvent être fondamentalement modifiés ou même détruits.
Le JWST est si puissant qu'il pourra observer l'univers tel qu'il existait il y a environ 13,6 milliards d'années, 200 millions d'années après la période d'inflation initiale rapide que nous appelons le Big Bang. C'est le passé le plus ancien dans lequel l'humanité ait jamais regardé. Ce qui fait du JWST un outil si puissant pour l'imagerie de l'univers primitif, c'est qu'il effectue ses observations dans la région infrarouge du spectre électromagnétique.
Alors que la lumière nous parvient de ces sources lointaines, l'expansion accélérée de l'univers étire cette lumière. Cela signifie que bien que la lumière de ces premières étoiles et galaxies soit similaire à celle des étoiles et galaxies proches, sa longueur d'onde est "décalée" dans la région infrarouge du spectre électromagnétique.
Les galaxies les plus lointaines et les plus anciennes
L'observatoire pourra notamment identifier les premières galaxies en observant les six quasars les plus éloignés et les plus brillants. Les quasars sont situés au centre des noyaux actifs galactiques (AGN) et sont alimentés par des trous noirs supermassifs. Elles sont souvent plus brillantes que le rayonnement de toutes les étoiles de la galaxie dans laquelle elles se trouvent, combinées.
Les quasars sélectionnés par l'équipe du JWST sont parmi les plus brillants, ce qui signifie que les trous noirs qui les alimentent sont aussi les plus puissants, consommant – ou plutôt accrétant – gaz et poussières au rythme le plus élevé. Ils génèrent d'énormes quantités d'énergie qui chauffent le gaz environnant et le poussent vers l'extérieur, créant de puissants jets qui éclatent à travers les galaxies dans l'espace interstellaire.
En plus d'utiliser des quasars, qui ont un effet notable sur les galaxies environnantes, pour comprendre leur évolution, les chercheurs du JWST utiliseront également des quasars pour étudier une période de l'histoire de l'univers appelée l'ère de la réionisation. C'était le moment où l'univers est devenu le plus transparent et a permis à la lumière de voyager librement. Cela s'est produit parce que le gaz neutre dans le milieu intergalactique s'est chargé ou ionisé.
JWST étudiera cela en utilisant des quasars brillants comme sources de lumière de fond pour étudier le gaz entre nous et le quasar. En observant quelle lumière est absorbée par le gaz interstellaire, les chercheurs pourront déterminer si le gaz interstellaire est neutre ou ionisé.
100 galaxies à la fois
L'un des instruments que JWST utilisera pour observer l'univers est le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec). Cet instrument ne produira pas d'images visuellement époustouflantes des galaxies qu'il observe comme l'image grand angle de milliers de galaxies prise par le télescope spatial Hubble (photo ci-dessous). Au lieu de cela, il fournira des informations spectrographiques importantes sur ces galaxies, permettant d'en voir plusieurs à la fois.
Les spectres de ces galaxies contiennent de nombreuses informations, notamment sur la composition chimique. En étudiant ces compositions, les chercheurs verront à quelle vitesse les galaxies peuvent convertir leur composition gazeuse en étoiles, et ainsi mieux comprendre l'évolution de l'univers.
Pour ce faire avec la précision requise, il faut bloquer une grande quantité de lumière, ce qui signifie généralement étudier un objet à la fois. Certains des objets que JWST a l'intention d'étudier sont si éloignés que leur lumière est incroyablement faible, ce qui signifie qu'ils doivent être observés pendant des centaines d'heures pour recueillir suffisamment de données pour construire une image spectrale.
Heureusement, NIRSpec est équipé d'un quart de million de fenêtres individuelles avec des microvolets de la taille d'un cheveu humain disposés en tranches. Cela signifie qu'en ajustant le motif de ces stores, JWST pourra observer un grand nombre d'objets en une seule vue pour une observation simultanée, et il est programmable pour n'importe quel champ d'objets dans le ciel. Selon les estimations de la NASA, cela permettra à NIRSpec de collecter simultanément les spectres de 100 observatoires, ce qu'aucun autre spectroscope ne pouvait faire auparavant.
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Exoplanètes de la taille de Jupiter
Depuis le milieu des années 1990 et la découverte d'une planète en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil, notre catalogue d'exoplanètes s'est élargi pour inclure désormais plus de 4 51 mondes confirmés. La plupart de ces mondes, dont l'exoplanète 1995 Pegasi b, découverte par l'équipe suisse de Michel Maior et Didier Calo en XNUMX, sont des Jupiter chauds. Ces exoplanètes orbitent autour de leurs étoiles à proximité, effectuant généralement une révolution en quelques heures, ce qui les rend faciles à détecter à l'aide de techniques d'observation d'exoplanètes.
Ces mondes sont souvent liés par la marée à leur étoile, ce qui signifie qu'un côté, le côté jour éternel, est très chaud. Un exemple frappant d'un tel monde est WASP-121b, récemment observé par la caméra spectroscopique à bord de Hubble. Légèrement plus grand que Jupiter dans notre système solaire, le fer et l'aluminium se vaporisent du côté jour de cette planète, et cette vapeur est transportée du côté nuit par des vents supersoniques. Au fur et à mesure que ces éléments refroidissent, ils se précipitent sous forme de pluie métallique, avec la possibilité qu'une partie de l'aluminium se combine avec d'autres éléments et se précipite sous forme de pluie liquide de rubis et de saphir.
La proximité de ces planètes géantes avec leur étoile mère peut amener les forces de marée à leur donner la forme d'un ballon de rugby. Qu'est-il arrivé à l'exoplanète WASP-103b. Une partie du rôle de JWST depuis sa position à un million de kilomètres de la Terre sera d'étudier les environnements et les atmosphères de ces planètes agressives.
Super Terres
Une autre catégorie d'exoplanètes que le télescope spatial utilisera pour observer sont les soi-disant super-Terres. Ce sont des mondes qui peuvent être 10 fois plus massifs que la Terre, mais plus légers que des géants de glace comme Neptune ou Uranus.
Les super-Terres ne doivent pas nécessairement être rocheuses, comme notre planète, mais peuvent être constituées de gaz ou même d'un mélange de gaz et de roche. La NASA dit que dans la gamme de 3 à 10 masses terrestres, il peut y avoir une grande variété de compositions planétaires, y compris des mondes aquatiques, des planètes en boule de neige ou des planètes qui, comme Neptune, sont composées principalement de gaz dense.
Les deux premières super-Terres à passer sous le radar du JWST de la NASA seront 55 Cancri e recouvertes de lave, qui semble être une planète rocheuse à 41 années-lumière, et LHS 3844b, qui fait deux fois la taille de la Terre et semble avoir une surface rocheuse, semblable à la lune, mais dépourvue d'une atmosphère significative.
Ces deux mondes semblent assez inadaptés à la vie telle que nous la connaissons, mais d'autres exoplanètes à divers endroits de la Voie lactée qui seront étudiées par le JWST pourraient être plus prometteuses.
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Système TRAPPIST-1
Au cours du premier cycle opérationnel, le télescope étudiera de près le système TRAPPIST-1, situé à 41 années-lumière de la Terre. Ce qui rend ce système planétaire, découvert en 2017, inhabituel, c'est le fait que ses sept mondes rocheux existent dans la zone d'activité de leur étoile, ce qui en fait le plus grand monde terrestre potentiellement habitable jamais découvert.
Les astronomes définissent la zone habitable autour d'une étoile comme la région où la température permet à l'eau liquide d'exister. Parce que cette région n'est ni trop chaude ni trop froide pour que l'eau liquide existe, elle est souvent appelée la zone Goldilocks.
Cependant, être dans cette zone ne signifie pas que la planète est habitable. Vénus et Mars se trouvent à l'intérieur de la zone autour du Soleil, et aucune des planètes ne peut supporter confortablement la vie telle que nous la comprenons en raison d'autres conditions. La Planetary Society suggère que d'autres facteurs, tels que la force du vent solaire, la densité de la planète, la prédominance des grandes lunes, l'orientation de l'orbite de la planète et la rotation de la planète (ou son absence apparente) peuvent être des facteurs clés. pour l'habitabilité.
Molécules organiques et naissance planétaire
L'un des avantages de l'étude infrarouge de l'univers par le JWST de la NASA est la capacité de scruter les nuages denses et massifs de gaz et de poussière interstellaires. Bien que cela puisse ne pas sembler très excitant, la perspective devient beaucoup plus attrayante si l'on considère que ce sont les endroits où naissent les étoiles et les planètes et qu'on appelle les pépinières stellaires.
Ces régions de l'espace ne peuvent pas être observées dans le spectre de la lumière visible car la teneur en poussière les rend opaques. Cependant, cette poussière permet la propagation du rayonnement électromagnétique dans la gamme de longueur d'onde infrarouge. Cela signifie que JWST pourra étudier les régions denses de ces nuages de gaz et de poussière lorsqu'ils s'effondrent et forment des étoiles.
De plus, le télescope spatial pourra également étudier les disques de poussière et de gaz qui entourent les jeunes étoiles et donnent naissance aux planètes. Non seulement cela pourrait montrer comment des planètes comme celles du système solaire, y compris la Terre, se forment, mais cela pourrait également montrer comment les molécules organiques vitales pour la vie sont distribuées au sein de ces disques protoplanétaires.
Et il y a une pépinière stellaire sur laquelle travailleront les chercheurs qui auront le temps d'observer JWST en particulier.
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Piliers de la création
Les piliers de la création sont l'un des sites cosmiques les plus brillants et les plus beaux jamais représentés par l'humanité. Le télescope spatial Hubble, qui a capturé les belles images des piliers de la création (photo ci-dessous), a pu scruter profondément ces tours de gaz et de poussière hautes d'une année-lumière.
Situées dans la nébuleuse de l'Aigle et à 6500 XNUMX années-lumière de la Terre dans la constellation du Serpent, les colonnes opaques - les Piliers de la Création - sont des sites de formation intense d'étoiles. Pour recueillir des détails sur les processus de naissance des étoiles à l'intérieur des piliers, Hubble les a observés en lumière optique et infrarouge.
La lumière infrarouge est nécessaire pour observer les processus se produisant dans les Piliers de la Création car, comme pour les autres mangeoires, la lumière visible ne peut pas pénétrer la poussière dense de cette nébuleuse d'émission.
Hubble est optimisé pour la lumière visible, mais il a quand même réussi à prendre de superbes images infrarouges des piliers, montrant certaines des jeunes étoiles qui y vivent. C'est ce qui a excité l'équipe du JWST - leur puissant télescope spatial infrarouge révélerait cette fascinante région de l'espace.
Jupiter, ses anneaux et ses lunes
L'une des cibles du télescope spatial du système solaire sera la plus grande planète, la géante gazeuse Jupiter. Selon la NASA, une équipe de plus de 40 chercheurs a mis au point un programme d'observation qui étudiera Jupiter, son système d'anneaux et ses deux lunes : Ganymède et Io. Ce sera l'un des premiers levés de télescope dans le système solaire, nécessitant qu'il soit calibré par rapport à la luminosité de la géante gazeuse tout en étant capable d'observer son système d'anneaux beaucoup plus faible.
L'équipe du JWST qui observera Jupiter devra également tenir compte de la journée de 10 heures de la planète. Cela nécessiterait "d'assembler" des images séparées pour étudier une région particulière de la cinquième planète qui orbite rapidement loin du Soleil, comme la Grande Tache Rouge - la plus grande tempête du système solaire, suffisamment profonde et large pour engloutir la Terre entière .
Les astronomes tenteront de mieux comprendre la raison des fluctuations de la température de l'atmosphère au-dessus de la Grande Tache Rouge, les caractéristiques des extraordinaires anneaux sombres de Jupiter et la présence d'un océan liquide d'eau salée sous la surface de la lune de Jupiter, Ganymède.
Astéroïdes et objets géocroiseurs
L'un des autres rôles importants que JWST jouera dans le système solaire est l'étude des astéroïdes et d'autres corps plus petits du système dans la gamme infrarouge. L'étude comprendra ce que la NASA classe comme objets géocroiseurs (NEO), qui sont des comètes et des astéroïdes qui ont été poussés par l'attraction gravitationnelle des planètes voisines sur des orbites qui leur permettent d'entrer dans le voisinage de la Terre.
Le JWST effectuera des observations d'astéroïdes et d'objets géocroiseurs dans la gamme infrarouge, ce qui n'est pas possible depuis l'atmosphère terrestre à l'aide de télescopes au sol ou de télescopes spatiaux moins puissants. L'objectif de ces évaluations d'astéroïdes sera d'étudier l'absorption et l'émission de lumière à la surface de ces corps, ce qui devrait permettre de mieux comprendre leur composition. JWST permettra également aux astronomes de mieux classer les formes des astéroïdes, leur teneur en poussière et la façon dont ils émettent du gaz.
L'étude des astéroïdes est vitale pour les scientifiques qui cherchent à comprendre la naissance du système solaire et de ses planètes il y a 4,5 milliards d'années. C'est parce qu'ils sont composés de matériaux "non corrompus" qui existaient lorsque les planètes se formaient et qui échappaient à la gravité de corps plus petits formant des planètes.
En plus d'étudier la naissance des planètes, des étoiles et les premiers instants des galaxies elles-mêmes, cette mission démontre une fois de plus comment JWST résoudra certains des mystères les plus fondamentaux de la science.
Et après?
Depuis le 15 juin 2022, tous les instruments Webb de la NASA sont sous tension et les premières images ont été prises. De plus, quatre modes d'imagerie, trois modes de séries chronologiques et trois modes spectroscopiques ont été testés et certifiés, il n'en reste que trois. Comme déjà mentionné, le 12 juillet, la NASA prévoit de publier un ensemble d'observations illustrant les capacités de Webb. Ils montreront la beauté des images de l'espace et donneront aux astronomes une idée de la qualité des données qu'ils recevront.
Après le 12 juillet, le télescope spatial James Webb commencera à travailler pleinement sur sa mission scientifique. Le calendrier détaillé pour l'année prochaine n'a pas encore été publié, mais les astronomes du monde entier attendent avec impatience les premières données du télescope spatial le plus puissant jamais construit.
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