Le spectrographe de nouvelle génération du télescope spatial James Webb peut observer 100 galaxies en une seule fois › Geeky News

« L’une des règles de construction des engins spatiaux est d’avoir le moins de pièces mobiles possible », sourit Andy Bunker, astrophysicien de l’Université d’Oxford. « Et c’est pourquoi nous avons construit quelque chose qui a un quart de million de volets. »

Bunker parle de NIRSpec, le spectrographe proche infrarouge, l’un des quatre instruments du télescope spatial James Webb, qui s’apprête à peine à ouvrir les yeux sur le cosmos. Il est l’un des sept scientifiques européens qui ont façonné la conception de NIRSpec (qui est financé par l’Agence spatiale européenne), et attend maintenant avec impatience le moment où l’instrument commencera à fournir des données.

« J’ai toujours été intéressé à repousser les limites de l’objet connu le plus éloigné », a déclaré Bunker à Space.com. « Cela va au-delà du simple fait de détenir le record. Il s’agit de comprendre les premiers stades de l’univers, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées. Et nous essayons de chasser cela.

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Avec son miroir géant de 21,6 pieds de large (6,5 mètres), Webb a été construit pour étudier les galaxies les plus anciennes et les plus lointaines qui ont émergé dans le jeune univers à partir de poussière et de gaz après l’âge des ténèbres après le Big Bang. Il le fera en observant la lumière infrarouge, la partie du spectre électromagnétique qui transporte la chaleur avec des longueurs d’onde plus longues que la lumière visible. Les scientifiques savent que bien que ces premières étoiles aient émis de la lumière visible, en raison de leur grande distance et de l’expansion de l’univers, cette lumière s’est déplacée dans la partie infrarouge du spectre, un effet connu sous le nom de décalage vers le rouge.

NIRSpec, avec son quart de million de micro-obturateurs révolutionnaires, donnera un coup de pouce aux capacités de Webb. En fait, NIRSPec dépassera plus de cent fois la capacité d’un instrument similaire embarqué sur le télescope spatial Hubble, qui est, à bien des égards, considéré comme le prédécesseur de Webb (bien que les deux fonctionneront en parallèle pendant un certain temps).

Les spectrographes, comme NIRSpec, divisent la lumière des étoiles entrante en spectres, ce qui permet aux scientifiques de voir de quoi sont faites les étoiles. (Crédit image : ESA)

Empreintes digitales galactiques

NIRSPec n’est peut-être pas l’instrument qui produira les images les plus accrocheuses comme les célèbres instantanés des piliers de la création et les champs profonds impressionnants de Hubble. Ce sera la tâche des caméras NIRCam et MIRI.

NIRSpec, cependant, fournira une quantité sans précédent d’informations non seulement sur les galaxies, les étoiles et les planètes photographiées par NIRCam et MIRI, mais aussi sur des centaines et des milliers d’autres.

En tant que spectrographe, NIRSpec ne prend pas d’images. Il divise la lumière entrante en composants individuels du spectre lumineux. Ce spectre, comme une empreinte digitale, reflète les propriétés d’absorption de la lumière des objets imagés et donc leur composition chimique. Chaque élément chimique présent dans le corps observé absorbe la lumière d’une certaine manière, qui apparaît comme une ligne distincte dans le spectre capturé. En capturant le spectre d’un objet, les chercheurs peuvent déterminer quels composés chimiques peuvent être présents.

« Scientifiquement, les spectres sont extrêmement précieux », a déclaré Bunker. « Il y a beaucoup d’informations encodées dedans. Nous pouvons tracer la façon dont les éléments chimiques s’accumulent dans les galaxies, mais aussi déterminer la distance et les propriétés des galaxies, telles que la vitesse à laquelle elles transforment leur gaz en étoiles.

Pour prendre les empreintes digitales de ces objets avec précision, les spectrographes doivent bloquer toute autre lumière de leur champ de vision. Les spectrographes conventionnels, comme ceux de Hubble, le font en utilisant une fente, une ouverture étroite dans une plaque métallique à travers laquelle ils ne ciblent que l’objet étudié.

« La fente vous permet d’être aussi sensible que possible », a déclaré Bunker. « Mais la limitation est de faire un seul objet à la fois. C’est très inefficace, en particulier si vous regardez certains des champs profonds où vous avez des densités très élevées d’objets potentiellement intéressants.

Ajoutez à cela que certains des objets que Webb étudiera sont si éloignés et faibles que le télescope devra les fixer pendant des centaines d’heures pour collecter suffisamment de lumière, et la limitation d’une telle approche devient évidente.

Un spectre obtenu lors des essais au sol du spectrographe de nouvelle génération NIRSpec du télescope spatial James Webb. (Crédit image : équipe ESA/SOT)

Spectrographie amplifiée

C’est là qu’interviennent les micro-obturateurs de NIRSPec. Chacun aussi large qu’un cheveu humain, ces micro-obturateurs peuvent s’ouvrir selon différents schémas, créant de manière flexible une multitude de fentes qui permettront aux astronomes d’observer et de mesurer une centaine (ou plus) de galaxies au même temps, dit Bunker.

Premier spectrographe de ce type à voler dans l’espace, NIRSpec propose une gamme de technologies innovantes. Le réseau de micro-obturateurs lui-même, développé par les ingénieurs du Goddard Space Flight Center de la NASA, est disposé en quatre sections rectangulaires, chacune ayant 365 par 171 micro-obturateurs.

Un aimant contrôlé électriquement balaie à l’arrière de ces réseaux. En appliquant sélectivement un courant électrique à chaque microvolet, les équipes de contrôle au sol déterminent quels volets s’ouvrent et lesquels restent fermés. Les ingénieurs, cependant, ne peuvent pas ouvrir les micro-obturateurs trop proches les uns des autres car les spectres des objets observés se chevaucheraient. Cela laisse la possibilité d’étudier une centaine d’objets en même temps.

« Ces micro-obturateurs sont assez fragiles, nous nous attendons donc à ce qu’une fraction d’entre eux échouent », a déclaré Bunker. « Ce n’est pas grave car nous pourrons toujours utiliser les autres. Certains peuvent également rester bloqués en position ouverte, ce qui ajouterait un peu de lumière de fond supplémentaire, mais ce ne serait que très peu.

Le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) du télescope spatial James Webb est l’instrument le plus puissant de ce type jamais utilisé dans l’espace. (Crédit image : ESA/ATG medialab)

Un changeur de jeu

Les vastes quantités d’étoiles, de galaxies, d’amas, de planètes et d’autres corps que NIRspec va examiner permettront aux scientifiques de commencer à répondre aux grandes questions non pas sur les étoiles et les galaxies individuelles, mais sur l’univers entier.

« NIRSpec va changer la donne », a déclaré Bunker. « Le nombre d’objets que nous pourrons aborder nous permettra de commencer à voir comment différentes variables dépendent les unes des autres. Par exemple, comment la vitesse à laquelle les étoiles se forment dans les galaxies varie avec la masse de la galaxie ou son âge.

Avec l’aide de NIRSpec, les astronomes pourront non seulement voir les premières étoiles et galaxies qui se sont formées dans l’univers, mais aussi savoir de quoi elles étaient constituées et comment, à leur mort, elles ont donné naissance à d’autres éléments chimiques qui ont progressivement peuplé l’univers tel que nous le voyons aujourd’hui.

« Nous savons que l’hydrogène et l’hélium se sont formés lors du Big Bang », a déclaré Bunker. « Mais tous les éléments les plus lourds se sont formés dans les étoiles soit au cours de leur vie, soit à leur mort. Ainsi, en fonction du temps, le nombre et la fraction de ces éléments plus lourds devraient augmenter dans les galaxies. Et nous espérons mesurer cela directement.

Ouvrant ses volets

Depuis que Webb a atteint sa destination cible en janvier, le soi-disant point de Lagrange 2 (L2) à quelque 930 000 milles (1 million de kilomètres) de la Terre, le télescope s’est refroidi jusqu’à sa température de fonctionnement de moins 369,4 degrés Fahrenheit (moins 223 degrés Celsius). Étant donné que Webb chasse la lumière infrarouge et que la lumière infrarouge est essentiellement de la chaleur, toute chaleur émise par le télescope lui-même éblouirait ses détecteurs super sensibles.

Avec Webb aussi froid que nécessaire, ses quatre instruments ouvrent progressivement leurs «yeux» (ou micro-volets), permettant aux scientifiques, pour la première fois, de tester leurs performances non pas en laboratoire, mais dans l’environnement réel de l’espace.

« Nous avons un certain nombre d’activités pour NIRSpec au cours des trois prochains mois », a déclaré Bunker. « Nous quantifions le nombre d’obturateurs utilisables et leur sensibilité. Mais je pense qu’en général, le télescope fonctionne extrêmement bien.

Le public devra cependant attendre au moins début juillet pour enfin avoir un aperçu de l’univers à travers les yeux du télescope spatial le plus complexe et le plus cher jamais construit.

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