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James Webb : Le télescope de tous les défis

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Publié le , mis à jour le 22/04/2015 À 16H12

Pour 4,5 milliards de dollars, le supertélescope spatial James Webb permettra de jeter un oeil indiscret sur l'origine du monde. Une série de sauts technologiques en feront un outil bien plus puissant que son prédécesseur, Hubble.

James Webb : Le télescope de tous les défis © NASA/Chris Gunn

D'où venons-nous ? Quelle est l'origine de la Terre ? Comment sont nées les galaxies ? Ces interrogations remontent à l'origine de l'humanité. Les réponses sont espérées pour 2013. C'est en effet dans un peu moins de cinq ans qu'une fusée Ariane 5 quittera la Terre pour placer en orbite le télescope international James Webb (du nom d'un ancien directeur de la Nasa). Doté d'un miroir de 6,5 mètres de diamètre, Webb poursuivra sa route pour se placer à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Il sera alors idéalement positionné pour capter des rayonnements émis il y a... 13 milliards d'années !

Ce rêve d'astronome commence à se concrétiser en 2009, « année internationale de l'astronomie », avec la réalisation de plusieurs éléments du télescope, quatre cents ans après que Galilée a réalisé les premières observations du sol lunaire, en 1609, grâce à sa célèbre lunette astronomique. L'objectif de cette quête un peu folle est de comprendre comment les galaxies et les étoiles se sont formées. Pour cela, il faut remonter très loin dans le temps, et donc disposer d'un instrument beaucoup plus puissant que le brave télescope Hubble, qui fut mis en orbite en 1990. Dès la fin des années 90, l'idée de lancer un nouveau télescope a fait son chemin, ouvrant la voie au lancement du projet James Webb, en 2003, sous l'égide de la Nasa. Plusieurs pays européens participent au programme, avec l'Agence spatiale européenne (ESA) comme chef de file.

CAPTER L'INFRAROUGE POUR VOIR LES ÉTOILES SE FORMER

Pour répondre aux objectifs du projet, plusieurs ruptures technologiques ont été nécessaires par rapport à Hubble. Ainsi, alors que ce dernier fonctionnait dans un spectre qui, s'il partait de l'ultraviolet, n'allait que jusqu'au proche infrarouge, Webb observera l'Univers dans le proche et moyen infrarouge.

Le choix de cette gamme de fréquences est primordial. Les étoiles se forment en effet au sein d'immenses nuages moléculaires. Ceux-ci absorbent le rayonnement visible et ultra-violet émis par les jeunes astres et le restituent dans l'infrarouge. Les galaxies infrarouges sont donc celles où se créent beaucoup d'étoiles. Situées majoritairement dans l'Univers lointain, elles témoignent des processus ayant donné naissance aux « premières » étoiles, il y a des milliards d'années. « L'infrarouge était indispensable pour capter les rayonnements émis par les premiers objets lumineux », résume Jacques Rodolfo, le responsable chez Sagem de la fabrication des optiques du spectromètre proche infrarouge (NIRSpec), dont l'ESA est responsable et qui sera construit par EADS Astrium.

Mais pour être de bons « yeux » dans l'infrarouge, les instruments d'optique doivent être maintenus à température cryogénique (- 243 °C). De là découle la forme un peu bizarre du télescope : il est équipé d'un pare-soleil composé de cinq couches pour éviter que les radiations solaires et lunaires ne le perturbent trop.

Autre avancée majeure, la taille du miroir en béryllium du télescope. Son diamètre en fait le plus grand jamais réalisé pour un télescope spatial. Mais pour qu'il entre dans l'étage supérieur de la fusée Ariane, il a fallu le décomposer en 18 sections octogonales repliables. Du temps d'Hubble, dont le miroir, d'un seul tenant, ne mesure que 2,40 mètres de diamètre, les technologies pour parvenir à ces dimensions n'étaient pas matures. « On ne savait pas polir les bords des sections, ni les tester », explique Thierry Batut, le directeur du site de Saint-Pierre-du-Perray, dans l'Essonne (lire ci-dessus), et vice-président de l'activité Reosc (optique haute performance) chez Sagem. Depuis une dizaine d'années, laboratoires et industriels - dont Sagem - ont mis au point des techniques pour boucher les aspérités, résolvant ainsi le problème de la régularité du polissage.

Plus globalement, la science de l'usinage et la maîtrise des matériaux ont constitué l'un des défis majeurs du projet James Webb. En particulier pour le module NIRSpec : ses concepteurs ont opté pour des optiques en carbure de silicium, un matériau - fourni par la société française Boostec - qui offre une bonne stabilité des performances à température cryogénique. Ce même matériau a été utilisé pour réaliser les cadres des miroirs, ainsi que le socle qui supporte le tout. Une façon d'assurer l'homogénéité des propriétés de l'ensemble, qu'il a toutefois fallu vérifier dans le vide, à - 240 °C, avec une précision dimensionnelle de quelques nanomètres.

POLIR LES MIROIRS POUR UNE RUGOSITÉ NANOMÉTRIQUE

Il a aussi été nécessaire de polir les miroirs du spectromètre jusqu'à obtenir une rugosité de l'ordre du nanomètre. « C'était un vrai défi puisque le carbure de silicium, très dur, est difficile à usiner », explique Jacques Rodolfo, de Sagem. L'industriel a utilisé la technologie de l'usinage sans contact, par faisceau d'ions, qu'il est l'un des seuls en Europe à maîtriser. Son site francilien de Saint-Pierre-du-Perray possède trois machines de ce type. Grâce aux progrès réalisés ces dix dernières années, les ingénieurs de Sagem estiment que la rugosité des optiques actuelles (notamment celles de NIRSpec) a été divisée par dix, tandis que leur forme est aujourd'hui dix fois plus précise que celle des miroirs de la génération Hubble. Quant à leur masse, elle a été divisée par quatre.

Enfin, au coeur de NIRSpec se trouve le spectromètre multi-objets développé par la Nasa, une sorte de roue à filtre capable de sélectionner et de mesurer plus de 100 longueurs d'onde à la fois. Là encore, les concepteurs du programme ont fait des choix très innovants. Cet appareil est équipé de micro-obturateurs qui ont l'épaisseur de quelques cheveux humains et qui sont regroupés par paquets de 62 000. Chaque micro-obturateur peut-être contrôlé individuellement. « C'est cette fonction assez unique qui donne au spectromètre sa capacité à mesurer autant d'objets à la fois », indique-t-on à la Nasa.

Après toutes ces années de développements, le télescope international passe désormais à une phase plus industrielle. L'intégration des modules va démarrer cette année chez les différents partenaires du programme, avant le montage final par la Nasa. Tout doit être prêt fin 2012 pour que le lancement puisse avoir lieu en 2013, depuis le pas de tir de Kourou. Afin d'écrire une nouvelle page de l'histoire spatiale.

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