Comment fonctionne JWST

Pourquoi Webb travaille dans l’infrarouge

La lumière visible est une mince tranche du spectre ; l’infrarouge est la bande de longueurs d’onde plus longues, juste au-delà de ce que l’œil voit. Webb couvre environ 0,6 à 28 micromètres — du bord rouge de la lumière visible, à travers le proche infrarouge, jusqu’à l’infrarouge moyen. Trois problèmes en font le bon choix.

D’abord, l’Univers se dilate, et cette expansion étire la lumière pendant son trajet vers nous : la lumière ultraviolette et visible des premières étoiles et galaxies arrive décalée vers l’infrarouge. Webb voit le passé lointain non pas parce que l’infrarouge serait « plus ancien », mais parce que l’expansion cosmique a déplacé cette lumière ancienne dans sa bande. Ensuite, l’infrarouge traverse beaucoup de nuages de poussière interstellaire qui bloquent la lumière visible, donc Webb peut voir dans les nurseries où se forment étoiles et planètes. Enfin, les objets froids — planètes, poussière, comètes — sont faibles en lumière visible mais brillent dans l’infrarouge. Ce qui rend Webb puissant dans l’infrarouge est aussi ce qui le rend exigeant : le télescope doit rester extraordinairement froid, sinon sa propre chaleur noierait le signal.

Le miroir segmenté

La partie la plus reconnaissable de Webb est son miroir primaire doré : environ 6,5 mètres de diamètre, à peu près 25 mètres carrés de surface collectrice, construit à partir de 18 segments hexagonaux. Il est segmenté parce qu’un miroir unique de cette taille n’aurait pas tenu dans la fusée ; il a été lancé plié et s’est déployé dans l’espace. Les segments sont en béryllium — léger, rigide et stable à très basse température — sous une couche d’or extrêmement fine, qui réfléchit bien l’infrarouge (tout le miroir n’en utilise que quelques dizaines de grammes).

Un grand miroir ne « grossit » pas tant qu’il recueille des photons : plus sa surface est grande, plus l’objet qu’il peut atteindre est faible, et plus vite il construit un signal utilisable. Après le lancement, les 18 segments ont dû être alignés pour agir comme une seule surface, chacun ajusté par de petits actionneurs jusqu’à ce que les erreurs tombent à quelques dizaines de nanomètres — une petite fraction de la longueur d’onde de la lumière qu’ils recueillent.

Plus froid que presque tout

La lumière infrarouge, c’est de la chaleur. Un télescope chaud brille précisément dans la bande que Webb essaie d’observer — comme regarder une luciole lointaine avec une lampe allumée dans la caméra. Webb est donc divisé entre un côté chaud, face au Soleil, à la Terre et à la Lune, et un côté froid portant le miroir et les instruments, séparés par un pare-soleil à cinq couches de la taille d’un court de tennis. Chaque couche réfléchit et réémet la chaleur sur les côtés, de sorte qu’une fraction minuscule seulement atteint l’autre face. Le côté froid est proche de 40 kelvins (environ −233 °C) ; l’instrument de moyen infrarouge, MIRI, doit être encore plus froid et emporte son propre réfrigérateur jusqu’à environ 7 kelvins.

C’est aussi pour cela que Webb orbite là où il orbite. Au lieu de tourner autour de la Terre comme Hubble, il boucle autour du point L2 Soleil-Terre, à environ 1,5 million de kilomètres du côté nuit, où le Soleil, la Terre et la Lune restent groupés d’un même côté et où le pare-soleil peut les garder tous dans son dos.

Un observatoire, quatre instruments

« JWST » désigne l’observatoire entier. La science est faite par quatre instruments montés derrière le miroir, et il vaut la peine de les distinguer du télescope lui-même :

• NIRCam, la caméra proche infrarouge (environ 0,6-5 µm), pour les images profondes — et pour aligner le miroir ;
• NIRSpec, le spectrographe proche infrarouge (environ 0,6-5,3 µm), qui peut enregistrer jusqu’à une centaine de spectres à la fois grâce à une grille d’environ 248 000 micro-obturateurs — une idée pas si éloignée des fibres robotiques de DESI ;
• MIRI, l’instrument moyen infrarouge (environ 5-28 µm), pour la poussière froide, les molécules et l’éclat thermique des planètes ;
• FGS/NIRISS, qui maintient le télescope verrouillé sur sa cible et ajoute de l’imagerie proche infrarouge et de la spectroscopie sans fente, notamment pour les transits d’exoplanètes.

Quand un résultat est annoncé « depuis JWST », il est passé par l’un de ces instruments. L’instrument et la gamme de longueurs d’onde comptent autant que le nom du télescope.

De la lumière au spectre

Une caméra enregistre combien de lumière arrive ; un spectrographe enregistre comment cette lumière se répartit selon la longueur d’onde. Séparez un faisceau en ses longueurs d’onde et la courbe lisse se brise en structure : raies d’émission brillantes, raies d’absorption sombres, larges bandes moléculaires — chacune l’empreinte d’un atome ou d’une molécule particulière. À partir d’un spectre, les astronomes peuvent lire de quoi un objet est fait, sa température, sa vitesse, son redshift et les molécules présentes — des choses qu’une image simple ne peut pas montrer. La finesse avec laquelle un spectrographe sépare des traits voisins est son pouvoir de résolution, la longueur d’onde divisée par le plus petit écart de longueur d’onde qu’il distingue ; une résolution plus élevée révèle davantage, mais exige plus de lumière.

Comment Webb lit une atmosphère

Webb étudie beaucoup d’exoplanètes pendant des transits — quand une planète passe devant son étoile depuis notre ligne de visée. Pendant ce passage, une mince part de lumière stellaire frôle l’atmosphère de la planète avant de nous atteindre, et les gaz qui s’y trouvent absorbent leurs longueurs d’onde propres. En comparant le spectre de l’étoile pendant le transit avec celui juste en dehors, les astronomes extraient un spectre de transmission : la faible empreinte de l’atmosphère, imprimée sur la lumière de l’étoile. La profondeur de la baisse donne aussi la taille de la planète par rapport à son étoile — proche du carré du rapport entre le rayon de la planète et celui de l’étoile.

C’est un travail délicat. Le signal atmosphérique est une fraction minuscule de la lumière de l’étoile, et il doit être séparé de l’activité de l’étoile elle-même, du bruit du détecteur et des effets instrumentaux. Des instruments et des gammes de longueurs d’onde différents sont sensibles à des molécules différentes, ce qui explique pourquoi la même planète est souvent observée plus d’une fois, avec plus d’un instrument, avant que l’on fasse confiance à un trait.

Ce qu’une molécule ne prouve pas

Trouver une molécule dans une atmosphère n’est pas la même chose que trouver de la vie. Une biosignature candidate doit être pesée avec tout le tableau : la chimie de l’atmosphère, le comportement de l’étoile, les façons non biologiques de produire la même molécule, la température et la pression, et — pas le moindre point — la solidité statistique de la mesure elle-même. Webb caractérise des atmosphères ; il ne photographie pas des organismes sur des mondes lointains. Une seule raie dans un spectre est un point de départ pour poser des questions, pas une réponse.

Ce que Webb ne fait pas

Webb ne photographie pas le Big Bang, ne voit pas tout le ciel à la fois et ne livre pas des photographies en vraies couleurs prêtes à l’emploi — sa lumière est largement invisible, et la couleur est attribuée ensuite à de vraies cartes d’intensité. Il ne peut pas traverser une quantité illimitée de poussière, mesurer une distance par simple image ou identifier la vie à partir d’une seule molécule. Il ne peut même pas pointer où il veut à tout moment : le pare-soleil doit rester entre ses instruments et le Soleil, donc chaque cible a ses saisons. Chaque résultat de Webb repose sur la sensibilité, le temps de pose, l’étalonnage, un modèle physique et une analyse statistique soigneuse — pas sur l’image seule.

En une phrase

Webb recueille une faible lumière rouge et infrarouge avec un miroir segmenté froid de 6,5 mètres, transforme ces photons en images et en spectres avec quatre instruments, et permet aux astronomes de reconstruire la composition des galaxies, des étoiles, des planètes et des atmosphères — un spectre soigneusement mesuré à la fois.