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Pour qu’il puisse prendre des images de l’Univers, avec des corps célestes situés à une distance pouvant atteindre les 13 milliards d’années-lumière, le télescope James Webb a été soigneusement conçu par des scientifiques des agences spatiales des États-Unis (NASA), de l’Europe (ESA) et du Canada (ASC). Ainsi, il est composé de plusieurs modules très sophistiqués, rendus possibles seulement par des années de recherches scientifiques. Avant de nous pencher plus précisément sur ce qui rend ce télescope si puissant, intéressons-nous d’abord au fonctionnement d’un télescope en général. En fin d’article, tu pourras découvrir quelques images prises à l’aide du télescope James Webb.
En fait, comment ça fonctionne un télescope ?
Pour observer des objets distants, un télescope doit récolter et concentrer la lumière du ciel nocturne. Pour faire ce genre d’observations, les astrophysiciens privilégient un télescope de type réflecteur, aussi appelé télescope de Newton (d’après son inventeur, le fameux Isaac Newton). Cet instrument concentre la lumière entrante à l’aide de deux miroirs : le miroir primaire et le miroir secondaire. La lumière émise par les étoiles entre dans le télescope et se réfléchit d’abord sur le miroir primaire. Celui-ci est légèrement recourbé pour permettre à tous les rayons lumineux d’être concentré sur un même point – on parle de convergence des rayons lumineux. Ensuite la lumière se réfléchit une deuxième fois, sur le miroir secondaire. Finalement, la lumière traverse l’oculaire et arrive dans l’œil de l’observateur qui voit alors les étoiles en plus grand.
Comment fonctionnent les miroirs du télescope James Webb ?
Les ingénieurs ont conçu le télescope James Webb pour observer des corps célestes beaucoup plus distants que les étoiles visibles avec un télescope de Newton classique. Elles se trouvent si loin que l’on reçoit quasiment aucune lumière d’elles. Les astres les plus distants observables par notre télescope émettent 20 fois moins de lumière qu’une lampe torche depuis la Lune jusqu’à la Terre (1) ! Pour récolter un maximum de lumière, le télescope James Webb fonctionne comme un télescope de Newton mais en beaucoup plus grand. Regardons tout cela de plus près.
Pour faire converger le plus de rayons lumineux possibles, le miroir primaire du télescope James Webb en forme de disque incurvé a un diamètre de 6.5 mètres ! Soit plus du double du miroir de son prédécesseur, le télescope Hubble mis en orbite en 1990. Le miroir primaire est composé de 18 plus petits hexagones. Chacun de ces hexagones possède de petits moteurs qui permettent d’ajuster, avec beaucoup de précision, l’angle de réflexion ! Grâce à cette technologie de pointe, le télescope peut faire converger avec minutie les rayons sur le miroir secondaire. Le miroir primaire est fabriqué en béryllium, un composant à la fois très solide et très léger. Il est ensuite recouvert d’une fine couche d’or qui permet une meilleure réflexion de la lumière infrarouge. Le miroir secondaire, quant à lui, est aussi en béryllium et en or, mais possède une autre forme : celle d’un disque. Après avoir rebondi sur le miroir primaire, puis secondaire, la lumière entre dans le module où se trouvent les instruments scientifiques du télescope qui permettent de récolter des données et de les convertir en image.
Quels senseurs se trouvent dans le télescope ?
Les senseurs, ou instruments scientifiques, du télescope James Webb se trouvent dans le module ISIM (pour Integrated Science Instrument Module en anglais). Ils sont au nombre de quatre : une caméra, un spectromètre pour l'infrarouge proche, un instrument pour l'infrarouge moyen et un spectro-imageur. Si tu ne le savais pas encore : un spectromètre décompose la lumière entrante en couleurs, ou en longueurs d’ondes, qui la composent (un spectro-imageur possède les deux fonctions). Tu peux en apprendre plus dans cet article sur les exoplanètes. Comme leurs noms l’indiquent, ces senseurs sont particulièrement sensibles à la lumière infrarouge. Cette partie de la lumière est invisible à l’œil nu, mais elle peut être mesurée et nous en apprendre beaucoup sur les différents objets de l’Univers. Le télescope James Webb est donc spécialisé dans la détection de lumière infrarouge, ce qui le distingue de son prédécesseur Hubble qui se focalise sur la lumière visible. Au final, toutes les données récoltées par les quatre instruments scientifiques permettent d’étudier le Système solaire et les étoiles qui nous entourent, et aussi d’en avoir de très belles photos !
Principales missions scientifiques du télescope James Webb
- Rechercher les premières galaxies ou premiers objets lumineux qui se sont formé-e-s après le Big Bang
- Déterminer comment les galaxies ont évolué depuis leur formation jusqu’à nos jours
- Observer la formation des étoiles, depuis les premiers stades jusqu’à la formation de systèmes planétaires
- Mesurer les propriétés physiques et chimiques des systèmes planétaires et investiguer l’éventualité d’une présence de vie dans ces systèmes
Nébuleuse de la Carène
Les scientifiques qui se sont plongés dans l'une des premières images emblématiques du télescope James Webb ont découvert des dizaines de jets et d'écoulements énergétiques provenant de jeunes étoiles qui étaient auparavant cachés par des nuages de poussière. Cette découverte marque le début d'une nouvelle ère dans l'étude de la formation d'étoiles comme le Soleil et de la manière dont le rayonnement des étoiles massives voisines peut affecter le développement des planètes.
L'hydrogène moléculaire est un ingrédient essentiel à la formation de nouvelles étoiles et un excellent traceur des premiers stades de leur formation. Au fur et à mesure que les jeunes étoiles accumulent de la matière à partir du gaz et de la poussière qui les entourent, la plupart d'entre elles éjectent une fraction de cette matière à partir de leurs régions polaires dans des jets et des écoulements. Ces jets agissent alors comme un chasse-neige, s'infiltrant dans le milieu environnant. Dans les observations de Webb, on peut voir l'hydrogène moléculaire emporté et excité par ces jets.
Le télescope Webb est parfaitement équipé pour découvrir ces détails tant recherchés, car il est conçu pour détecter à haute résolution les jets et les écoulements visibles uniquement dans l'infrarouge.
Image: NASA, ESA, CSA, and STScI, J. DePasquale (STScI) ; licence CC BY 4.0
Les aurores de Jupiter
Avec ses tempêtes géantes, ses vents puissants, ses aurores boréales et ses conditions extrêmes de température et de pression, Jupiter a beaucoup à offrir.
Cette image a été créée à partir d'un composite de plusieurs images de Webb. Les aurores visibles s'étendent à de hautes altitudes au-dessus des pôles nord et sud de Jupiter. La lumière infrarouge (détectée par Webb) étant invisible pour l'œil humain, elle a été représentée avec des couleurs du spectre visible. Les aurores brillent dans un filtre représenté en rouge, ce qui met également en évidence la lumière réfléchie par les nuages inférieurs et les brumes supérieures. Un autre filtre, représenté en jaune et vert, montre les brumes tourbillonnant autour des pôles nord et sud. Un troisième filtre, représenté en bleu, met en évidence la lumière réfléchie par un nuage principal plus profond. La Grande Tache Rouge, une célèbre tempête si grande qu'elle pourrait engloutir la Terre, apparaît en blanc dans ces vues, tout comme d'autres nuages, car ils reflètent beaucoup de lumière solaire.
Image: NASA, ESA, Jupiter ERS Team; image processing by Judy Schmidt ; licence CC BY 4.0
Les Piliers de la Création
Les Piliers de la Création sont une petite région de la vaste nébuleuse de l'Aigle, située à 6500 années-lumière, où de nombreuses étoiles se forment.
La lumière infrarouge proche révèle des milliers d'étoiles nouvellement formées - cherchez les sphères orange brillantes qui se trouvent juste à l'extérieur des piliers poussiéreux. Dans l'infrarouge moyen, la poussière est parfaitement visible. La poussière diffuse est représentée en orange. Les régions les plus denses en poussière sont représentées dans des teintes indigo profondes, obscurcissant notre vue des activités à l'intérieur des piliers denses.
La poussière est également à l'origine des piliers en forme de flèche qui s'étendent du bas à gauche au haut à droite. C'est l'une des raisons pour lesquelles la région regorge d'étoiles : la poussière est un ingrédient majeur de la formation des étoiles. Lorsque des nœuds de gaz et de poussière de masse suffisante se forment dans les piliers, ils commencent à s'effondrer sous l'effet de leur propre attraction gravitationnelle, chauffent lentement et finissent par former de nouvelles étoiles.
Image: NASA, ESA, CSA, STScI, J. DePasquale (STScI), A. Pagan (STScI), A. M. Koekemoer (STScI) ; licence CC BY 4.0
Structures galactiques complexes
Cette image du télescope spatial James Webb montre IC 5332, une galaxie spirale, avec des détails sans précédent grâce aux observations de l'instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument). Ses bras spiraux symétriques, qui apparaissent si clairement sur l'image ultraviolette et visible d'IC 5332 prise par Hubble, se révèlent être un réseau complexe de gaz, émettant de la lumière infrarouge à diverses températures. La capture de la lumière à ces longueurs d'onde nécessite des instruments très spécialisés maintenus à des températures très basses, et MIRI s'acquitte de cette tâche de manière spectaculaire.
Image: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST and PHANGS-HST Teams ; licence CC BY 4.0
Rencontre galactique
Cette paire de galaxies, connue des astronomes sous le nom de II ZW 96, se trouve à environ 500 millions d'années-lumière de la Terre et se situe dans la constellation du dauphin, près de l'équateur céleste.
Les deux galaxies sont en train de fusionner et ont donc une forme chaotique et perturbée. Les centres lumineux des deux galaxies sont reliés par des vrilles brillantes de régions de formation d'étoiles, et les bras spiraux de la galaxie inférieure ont été déformés par la perturbation gravitationnelle de la fusion des galaxies. Ce sont ces régions de formation d'étoiles qui ont fait de II ZW 96 une cible si tentante pour Webb ; la paire de galaxies émet beaucoup de lumière infrarouge grâce à la présence de la formation d'étoiles.
Image: ESA/Webb, NASA & CSA, L. Armus, A. Evans ; licence CC BY 4.0
Nuages à la surface de Titan
Voici des images de Titan, un satellite de Saturne. Sur l'image de gauche, les points brillants sont des nuages proéminents dans l'hémisphère nord. L'image de droite est une image composite en couleur. Plusieurs caractéristiques importantes de la surface sont marquées : Kraken Mare est considérée comme une mer de méthane ; Belet est composé de dunes de sable de couleur sombre ; Adiri est un élément d'albédo brillant.
Titan est la seule lune du Système solaire à posséder une atmosphère dense, et c'est également le seul corps planétaire autre que la Terre qui possède actuellement des rivières, des lacs et des mers. Contrairement à la Terre, cependant, le liquide à la surface de Titan est composé d'hydrocarbures, notamment de méthane et d'éthane, et non d'eau. Son atmosphère est remplie d'une brume épaisse qui obscurcit la lumière visible se reflétant sur la surface.
Image: NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), JWST Titan GTO Team ; licence CC BY 4.0
Le quintette de Stephan
Grâce à sa puissante vision infrarouge et à sa résolution spatiale extrêmement élevée, Webb montre des détails jamais vus auparavant dans le quintette de Stephan, un groupe de galaxies.
Bien que l'on parle de « quintette », seules quatre de ces galaxies sont réellement proches les unes des autres et prises dans une danse cosmique. La cinquième galaxie, la plus à gauche, appelée NGC 7320, est bien au premier plan par rapport aux quatre autres. Ce groupe de galaxies est relativement proche de nous. Son observation permet aux astronomes d'être aux premières loges pour assister à la fusion et aux interactions entre les galaxies, qui sont cruciales pour l'évolution des galaxies.
Cette image est en réalité une énorme mosaïque de 1000 fichiers distincts, dont la taille totale couvre environ un cinquième du diamètre de la Lune !
Les anneaux de Neptune
Le plus frappant dans la nouvelle image de Webb est la netteté des anneaux dynamiques de la planète Neptune, dont certains n'ont pas été vus du tout, et encore moins avec cette clarté, depuis le survol de Voyager 2 en 1989. En plus de plusieurs anneaux étroits et brillants, les images de Webb montrent clairement les bandes de poussière plus ténues de Neptune.
La caméra NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb capture les objets dans le proche infrarouge, de 0,6 à 5 microns, et Neptune n'apparaît donc pas bleue pour Webb. En fait, le méthane est si fortement absorbant que la planète est assez sombre aux longueurs d'onde de Webb, sauf là où des nuages de haute altitude sont présents. Ces nuages de méthane et de glace sont visibles sous la forme de bandes et de taches brillantes, qui reflètent la lumière du soleil avant qu'elle ne soit absorbée par le méthane. Les images d'autres observatoires ont enregistré ces caractéristiques de nuages qui évoluent rapidement au fil des ans.
Webb a également capturé sept des 14 lunes connues de Neptune (voir cette image).
« Empreinte » d’un duo d’étoiles dans l’espace
Cette image révèle un spectacle cosmique remarquable : au moins 17 anneaux de poussière concentriques émanant d'une paire d'étoiles. Situé à un peu plus de 5000 années-lumière de la Terre, ce duo est connu sous le nom de Wolf-Rayet 140.
Chaque anneau a été créé lorsque les deux étoiles se sont rapprochées et que leurs vents stellaires (les courants de gaz qu'elles soufflent dans l'espace) se sont rencontrés, comprimant le gaz et formant de la poussière. Les orbites des étoiles les rapprochent environ tous les huit ans ; comme les anneaux du tronc d'un arbre, les boucles de poussière marquent le passage du temps.
Image: NASA, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech ; licence CC BY 4.0
Texte: Rédaction SimplyScience.ch
Sources :
(1) NASA Science, How Do Telescopes Work ?, consulté le 19 septembre 2022.
(2) The Insane Engineering of James Webb Telescope, consulté le 19 septembre 2022.
(3) NASA James Webb Telescope, Webb’s Mirrors, consulté le 19 septembre 2022.
(4) NASA James Webb Telescope, ISIM & Instruments, consulté le 19 septembre 2022.
(5) NASA James Webb Telescope, What are the main science goals of Webb ?, consulté le 16 novembre 2022