Lundi, trente jours après son départ de la Terre, le télescope spatial James Webb entrera dans son orbite de stationnement à environ un million de kilomètres, un emplacement idéal pour scruter le cosmos à la recherche du faible rayonnement infrarouge de la toute première génération d’étoiles et de galaxies.
Cependant, atteindre la destination – et déployer avec succès un grand parasol, des miroirs et d’autres appendices en cours de route – n’était que la moitié du plaisir.
Les scientifiques et les ingénieurs doivent maintenant transformer le Webb, dont le coût s’élève à 10 milliards de dollars, en un télescope fonctionnel en alignant avec précision ses 18 miroirs principaux en un seul miroir de 21,3 pieds de large, le plus grand jamais lancé.
Les ingénieurs ont achevé une opération de plusieurs jours en début de semaine pour soulever chaque section, ainsi que le miroir secondaire de 2,4 pieds de large du télescope, d’un demi-pouce par rapport aux verrous de lancement qui les maintenaient solidement en place pendant l’ascension de l’observatoire vers l’orbite le jour de Noël à bord d’une fusée européenne Ariane 5.
Les 18 segments sont maintenant complètement déployés et alignés à environ un millimètre près. Pour obtenir une mise au point précise, l’alignement du télescope doit être ajusté au 1/10 000e de la largeur d’un cheveu humain, en utilisant plusieurs actionneurs pour incliner et même modifier la forme d’une pièce selon les besoins.
« Notre miroir principal est segmenté, et ces segments doivent être orientés à une fraction de longueur d’onde lumineuse près », explique Lee Feinberg, responsable des éléments du télescope optique au Goddard Space Flight Center de la NASA. « Nous ne parlons pas de microns ici, mais plutôt d’une fraction de longueur d’onde. C’est ce qui rend Webb si perplexe ».
Capable de détecter la chaleur d’un bourdon d’aussi loin que la lune
Une fois aligné et calibré, la NASA estime que Webb sera 100 fois plus puissant que Hubble – capable de détecter la faible chaleur d’un bourdon aussi loin que la lune.
Chaque segment de miroir a été ajusté selon une prescription qui tient compte des effets déformants de la gravité sur Terre et de la contraction prévue des segments de miroir dans les températures ultra-basses de l’espace. Ils ont été calculés avec une telle précision que si l’un d’entre eux était agrandi à la taille des États-Unis, les montagnes Rocheuses, hautes de 14 000 pieds, mesureraient moins de 2 pouces.
Cependant, si Webb était pointé vers une étoile brillante aujourd’hui, le résultat serait 18 images différentes « qui seraient mauvaises, extrêmement floues », a déclaré Feinberg dans une interview, « parce que les principaux segments du miroir ne sont pas encore alignés. »
C’est le prochain défi de taille pour l’équipe Webb : cartographier puis incliner chaque pièce par incréments minuscules, combiner ces 18 photos pour obtenir un seul point lumineux parfaitement focalisé. Il s’agit d’une procédure itérative en plusieurs étapes qui devrait prendre de nombreux mois.
Cependant, le télescope doit d’abord entrer en orbite au point de Lagrange 2, à 930 000 miles de la Terre, où la gravité du Soleil et de la Terre se combinent pour créer une poche de stabilité qui permet aux vaisseaux spatiaux de rester en place avec le moins de carburant possible.
C’est également une position où le pare-soleil de Webb, de la taille d’un court de tennis, peut fonctionner de manière optimale, en bloquant la chaleur du soleil, de la Terre, de la lune et même de la poussière interplanétaire chauffée qui, autrement, submergerait les détecteurs infrarouges sensibles du télescope.
Samedi, les segments du miroir avaient refroidi à environ moins 340 degrés Fahrenheit, en bonne voie pour atteindre une température de fonctionnement d’environ moins 390 degrés Fahrenheit, soit moins de 40 degrés au-dessus du zéro absolu.
Pendant que le vaisseau spatial refroidit, un tir de propulseur de correction de trajectoire de quatre minutes et 58 secondes est prévu lundi à 14 heures HNE pour augmenter la vitesse du vaisseau spatial de 3,4 mph, juste assez pour le placer sur une orbite éloignée autour du point de Lagrange 2.
Si tout se passe comme prévu, le télescope continuera à évoluer sur cette orbite de six mois pour le reste de sa vie opérationnelle, en tirant périodiquement sur son propulseur pour maintenir sa position.
Préparation de la capture de photos « wow
Après avoir terminé la mise en orbite, les ingénieurs passeront à l’alignement des miroirs, l’un des éléments les plus difficiles du déploiement incroyablement complexe du Webb.
Chaque section hexagonale du miroir principal, d’une largeur de 4,3 pieds, est équipée à l’arrière de six actionneurs mécaniques disposés en configuration « hexapode », permettant un mouvement dans six directions. Un septième actionneur peut être utilisé pour pousser ou tirer sur le centre du segment, déformant légèrement sa courbure si nécessaire.
Après avoir refroidi la caméra proche infrarouge de Webb, ou NIRCam, à la température opérationnelle, le dispositif sera pointé vers une étoile brillante pour cartographier les réflexions des 18 segments et générer une mosaïque indiquant leur taille et leur emplacement relatifs.
Les segments du miroir seront ensuite ajustés un par un, à l’aide d’un actionneur après l’autre, pour s’assurer que chacun d’eux est correctement orienté. D’autres mosaïques seront créées au fur et à mesure de la progression du processus, et la procédure d’alignement devra peut-être être répétée en fonction des résultats.
« Le problème crucial est d’aligner les 18 principaux segments de miroir de manière à ce que leurs images aient à peu près la même taille », a déclaré Feinberg. « Certains d’entre eux peuvent être très défocalisés, ce qui entraîne une grande zone sur le segment 5 (image floue de l’étoile) et une toute petite tache sur le segment 3. »
L’objectif est d’incliner les segments si nécessaire pour réduire la taille des images défocalisées, puis d’aligner les nombreuses réflexions au centre de l’axe optique, en les empilant pour générer un seul faisceau de lumière étroitement focalisé.
« Au niveau le plus fondamental, considérez-le comme 18 télescopes individuels orientés à peu près au même niveau », a déclaré Feinberg. « Ensuite, nous allons empiler 18 endroits les uns sur les autres. C’est ce qu’on appelle l’empilement d’images. C’est une procédure qui consiste à incliner les principaux segments de miroir de telle sorte que les images se chevauchent. »
La clé, dit-il, est « un excellent contrôle de ces actionneurs, des inclinaisons vraiment exactes, car ces 18 emplacements doivent se chevaucher extrêmement bien. »
Sans conséquence, une section peut perdre l’un de ses six actionneurs d’inclinaison. Même l’absence d’un actionneur central peut être compensée en déplaçant doucement la section vers le haut ou vers le bas.
Toutefois, des essais approfondis sur le terrain ont révélé que les actionneurs de haute technologie sont extrêmement fiables. Avant le lancement, les méthodes ont été validées à l’aide d’une réplique à l’échelle du télescope, et M. Feinberg s’est dit convaincu que le processus d’alignement se déroulerait comme prévu.
« Quand obtiendrons-nous une image en phase d’une étoile ? Je pense que cela se produira quelque part en mars, peut-être fin mars », a-t-il déclaré.
« Cependant, la prochaine question est de savoir quand le télescope sera correctement aligné, y compris le miroir secondaire, et optimisé pour les quatre instruments. Le plan initial prévoyait que nous fassions cela quatre mois après le début de l’expédition. Ce serait vers la fin du mois d’avril ».
Cela ne suffira pas à lancer les observations scientifiques.
Après avoir aligné le système optique, l’équipage se concentrera sur le test et l’étalonnage de NIRCam, la caméra et le spectrographe combinés du télescope, ainsi que des trois autres instruments spectrographiques du télescope, dont l’un contient le capteur de guidage précis nécessaire pour maintenir Webb fixé sur sa cible.
Cette procédure prendra encore environ deux mois pour être terminée. Ce n’est qu’à ce moment-là que le public pourra voir les photographies focalisées de la « première lumière ».
« Nous voulons nous assurer que les premières photographies vues par le globe, par l’humanité, fassent honneur à ce télescope de 10 milliards de dollars et ne soient pas simplement d’une étoile », a déclaré Jane Rigby, scientifique du projet d’exploitation de Webb à Goddard.
« Par conséquent, nous préparons une série de photos « époustouflantes » qui seront publiées après la fin de la mise en service, lorsque nous commencerons les opérations scientifiques de routine, afin de démontrer les capacités de ce télescope… et d’épater tout le monde. »