Comment le télescope James Webb change l'astronomie

Lorsqu'une fusée Ariane 5 a décollé de la Guyane française le jour de Noël 2021, elle transportait une cargaison de rêve : le télescope spatial James Webb (JWST). Ces rêves appartenaient à des astronomes qui espéraient voir plus loin dans l'espace que jamais auparavant, à une époque où les premières galaxies se formaient ; pénétrer les nuages ​​de poussière pour assister à la naissance des étoiles ; et pour sonder les atmosphères des exoplanètes pour voir si elles pourraient abriter la vie. Après plus d'un an dans l'espace, JWST commence à transformer ces rêves en réalité.

Le plus récent télescope spatial présente des avantages significatifs par rapport à toute mission précédente. D'abord et avant tout, sa taille : JWST dispose d'un miroir de 6,5 mètres composé de 18 segments hexagonaux plaqués or. Ce colosse recueille plus de six fois plus de lumière que le miroir de 2,4 mètres du télescope spatial Hubble, il peut donc enregistrer la lumière des objets six fois plus rapidement que son prédécesseur.

Mais la sensibilité de JWST à la lumière infrarouge change vraiment la donne. Le télescope spatial peut voir des longueurs d'onde de 0,6 à 28,5 micromètres, de l'extrémité rouge du spectre visible à l'infrarouge moyen. L'optique de Hubble est optimisée pour enregistrer le rayonnement de 0,09 micromètre (dans l'ultraviolet) à 2,5 micromètres (dans le proche infrarouge), la majorité de sa sensibilité étant centrée sur la lumière visible. De manière peut-être surprenante, dans son domaine infrarouge prévu, JWST ne résout généralement pas les détails plus fins que Hubble n'obtient en lumière optique : bien que la résolution augmente avec la taille du miroir, elle diminue également avec la longueur d'onde.

L'observation dans l'infrarouge permet aux astronomes de voir des galaxies qui existaient moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Ces objets distants émettent de la lumière ultraviolette et visible, mais l'expansion de l'univers déplace ce rayonnement vers des longueurs d'onde infrarouges plus longues. Regarder dans l'infrarouge est le seul moyen d'observer ces jeunes galaxies depuis le voisinage de la Terre. Il en va de même pour les étoiles nouvellement formées. La poussière qui enveloppe les soleils des nourrissons disperse la lumière visible, cachant ce qui se trouve à l'intérieur de nos yeux, mais elle laisse largement passer le rayonnement infrarouge.

Les humains ne peuvent pas voir le rayonnement infrarouge. Ainsi, les couleurs des images JWST ne correspondent pas à ce que l'œil verrait. Dans de nombreux cas, les scientifiques cartographient des longueurs d'onde infrarouges plus longues vers l'extrémité rouge du spectre visible et des longueurs d'onde plus courtes vers le bleu, imitant le fonctionnement de l'œil. Mais parfois, ce motif est modifié pour montrer les détails sous un jour plus révélateur.

Bien que JWST ait été lancé fin 2021, il a fallu 29 jours à l'observatoire spatial pour atteindre son domicile en orbite autour du point de Lagrange L2 à environ 930 000 miles (1,5 million de kilomètres) de la Terre, et cinq mois supplémentaires pour que les scientifiques et les ingénieurs préparent le télescope pour son début. Jusqu'à présent, la plupart des résultats proviennent de programmes scientifiques à diffusion anticipée et de propositions du premier cycle d'opérations scientifiques (cycle 1). Lisez la suite pour explorer certaines des premières découvertes les plus excitantes du télescope.

Bien qu'il se concentre sur les galaxies lointaines et la formation d'étoiles, JWST est un observatoire polyvalent. Son puissant œil infrarouge voit les détails des objets du système solaire hors de portée des télescopes conventionnels. Les premières observations incluent l'étude des ceintures de nuages ​​sur les planètes géantes de gaz et de glace ; suivi des formations nuageuses sur la plus grande lune de Saturne, Titan ; explorer le climat de Pluton; et sonder de nombreux astéroïdes plus petits et objets transneptuniens qui peuplent le système solaire externe.

JWST a même observé l'astéroïde lunaire Dimorphos en septembre lorsque le test de redirection double astéroïde (DART) de la NASA l'a percuté. L'impact a légèrement modifié l'orbite de l'objet autour de son corps parent, Didymos, aidant l'agence spatiale à évaluer sa capacité à modifier la trajectoire d'astéroïdes potentiellement dangereux qui pourraient croiser le chemin de la Terre.

Il n'est pas exagéré de considérer le télescope spatial comme un satellite météorologique planétaire pour l'ensemble du système solaire. Nos dernières vues rapprochées de Saturne ont eu lieu juste avant que le vaisseau spatial Cassini ne s'écrase sur la planète aux anneaux en septembre 2017. Et aucun vaisseau spatial n'a visité Uranus ou Neptune depuis que Voyager 2 les a survolés dans la seconde moitié des années 1980. Mais JWST peut visualiser les systèmes de tempête sur ces mondes avec des détails exquis.

Neptune est passée sous l'œil vigilant du télescope en juillet dernier. La majeure partie de la surface visible de la géante des glaces semble sombre car le gaz méthane présent dans son atmosphère absorbe la lumière proche infrarouge. Mais plusieurs nuages ​​de glace de méthane brillent de mille feux et un indice de la circulation globale de la planète apparaît sous la forme d'une fine ligne traçant l'équateur. Cette circulation alimente les tempêtes et les vents puissants de Neptune, qui soufflent plus vite que ceux de toute autre planète. JWST a également fourni les vues les plus nettes des anneaux de Neptune depuis que Voyager 2 a visité le monde en 1989.

Alors même que les scientifiques planétaires s'efforcent de révéler les nombreux secrets alléchants de notre système solaire, les plus de 5 000 exoplanètes connues dans notre galaxie restent un mystère. Alors que nous connaissons généralement leurs orbites et souvent leurs tailles et masses, la plupart des autres informations sont hors de portée des télescopes terrestres et même de Hubble. Mais JWST a déjà commencé à changer le statu quo.

Quelle est l'importance des exoplanètes pour les scientifiques du JWST ? Ils ont consacré près du quart du temps d'observation du cycle 1 à l'étude de ces mondes et des matériaux qui les composent.

Bien que n'étant pas conçu pour découvrir des exoplanètes, JWST en a confirmé une autour de l'étoile LHS 475, une naine rouge située à 41 années-lumière de la Terre dans la constellation des Octans. Le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA a laissé entendre que cette étoile pourrait abriter une planète, mais il a fallu le nouveau télescope spatial pour confirmer la minuscule baisse de luminosité causée par la planète traversant ou transitant par le disque de l'étoile. La planète semble être rocheuse, avec un diamètre à peine 1% plus petit que la Terre, bien que la ressemblance avec notre monde s'arrête là. Elle orbite autour de son soleil en seulement deux jours et bénéficie d'une température de quelques centaines de degrés plus chaude que la Terre.

Cependant, la véritable force de JWST vient de sa capacité à analyser les atmosphères des exoplanètes. Pour ce faire, le télescope doit observer les transits avec ses puissants spectrographes. Lorsqu'une planète passe entre la Terre et son étoile hôte, son atmosphère filtre certaines longueurs d'onde de la lumière des étoiles. Parce que chaque atome et molécule a une empreinte spectrale distincte, cela permet aux astronomes d'étudier la composition chimique de ces mondes.

La plupart des molécules qui intéressent les chercheurs sur les exoplanètes se situent dans la partie infrarouge du spectre. Alors que Hubble pourrait taquiner les scientifiques avec ses observations, JWST satisfera leurs appétits.

La première exoplanète cible de l'observatoire était WASP-39 b, une planète géante à gaz chaud en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil à 700 années-lumière dans la constellation de la Vierge. La superbe résolution de JWST a révélé de l'eau, du dioxyde de soufre, du monoxyde de carbone, du sodium, du potassium et, pour la première fois sur une exoplanète, du dioxyde de carbone. La planète brille à une température de 1 650 degrés Fahrenheit (900 degrés Celsius) non pas à cause d'un effet de serre incontrôlable, mais parce qu'elle orbite à seulement 4,52 millions de miles (7,27 millions de km) de son étoile. (En comparaison, Mercure orbite à près de 36 millions de miles [57,9 millions de km] du Soleil.)

Les planètes et leurs étoiles hôtes se forment toutes à l'intérieur des incubateurs stellaires riches en gaz et en poussière que les astronomes appellent nébuleuses. Mais ces nuages ​​- aussi beaux soient-ils - masquent les activités vitales qui se déroulent à l'intérieur, du moins dans la lumière visible. La vision infrarouge de JWST a commencé à ouvrir ces environnements.

L'une de ses premières cibles était une petite partie de la nébuleuse de l'Aigle (M16) dans la constellation du Serpens, que Hubble a rendue célèbre en 1995. L'image dramatique des "Piliers de la Création" a été classée parmi la liste des 100 photos les plus influentes du magazine TIME. temps. JWST a capturé une vue tout aussi époustouflante de cette région emblématique de formation d'étoiles, située à 6 500 années-lumière de la Terre. Là où Hubble a vu principalement de la poussière opaque et du gaz froid, JWST a révélé de nombreuses étoiles émergeant déjà de leurs cocons natals. La plupart de ces étoiles naissantes apparaissent à l'extérieur des piliers sombres et se révèlent par leurs pics de diffraction, une caractéristique des images prises avec des télescopes à réflexion comme JWST.

Ces soleils naissants ont eu le temps de déclencher la fusion nucléaire dans leur noyau et de devenir des étoiles à part entière. Mais JWST a découvert des objets encore plus jeunes connus sous le nom de protostars tirant toujours du gaz et de la poussière de leur environnement. Ces jeunes crachent périodiquement des jets de matière qui entrent en collision avec leur environnement dense et les font rayonner. Les meilleurs exemples apparaissent sous forme de lueurs rouge vif près des extrémités des deux piliers inférieurs. Les astronomes estiment que les protoétoiles n'ont que quelques centaines de milliers d'années.

La formation d'étoiles se produit dans tout l'univers, bien sûr, et les scientifiques du JWST ont tenu à explorer ses nombreuses expressions en dehors de notre galaxie. Deux sites clés se trouvent au sein de notre groupe local. Les grands et petits nuages ​​de Magellan, les deux galaxies satellites les plus massives de la Voie lactée, jouent un rôle énorme dans le déchiffrement de l'univers.

En effet, la quantité de métaux - des éléments plus lourds que l'hélium cuits dans des étoiles massives - dans les deux galaxies s'avère être environ la moitié de celle de la Voie lactée. Ces conditions imitent celles qui existaient lorsque le cosmos n'avait que 2 ou 3 milliards d'années et que les galaxies produisaient des étoiles à leur rythme le plus élevé. Les feux d'artifice de ce soi-disant midi cosmique ont façonné les galaxies à cette époque et continuent d'influencer les galaxies que nous voyons aujourd'hui.

Aucune caractéristique des Nuages ​​de Magellan n'est plus proche de refléter ces temps chaotiques que la nébuleuse de la Tarentule du grand nuage (NGC 2070). (Pour en savoir plus sur la nébuleuse de la tarentule, voir "Démêler la nébuleuse de la tarentule" dans le numéro de septembre 2021.) La plus grande région de formation d'étoiles de l'univers local, la tarentule forge de nouvelles étoiles à un rythme féroce. Les astronomes ont répertorié quelque 820 000 étoiles à ce jour, et les vastes réservoirs d'hydrogène et d'hélium que contient la nébuleuse devraient être bons pour des centaines de milliers d'autres. L'amas d'étoiles brillant en son centre, surnommé R136, contient des dizaines d'étoiles qui pèsent au moins 100 masses solaires.

Les premières observations de JWST révèlent la tarentule avec des détails sans précédent. Le rayonnement féroce et les vents stellaires des étoiles massives de R136 ont dégagé une grande bulle dans la région centrale de la nébuleuse. Seules les zones environnantes les plus denses, abritant probablement leurs propres bébés étoiles, résistent à cet assaut. Parce que la nébuleuse se trouve à seulement 160 000 années-lumière de la Terre – un simple jet de pierre à l'échelle cosmique – la Tarentule donne aux astronomes une vue rapprochée des conditions qu'ils rencontreront lorsqu'ils exploreront le midi cosmique plus en profondeur.

Dans de nombreux cas, les observations d'objets proches permettent aux chercheurs de mieux comprendre les objets plus éloignés. Les planètes de notre système solaire éclairent les études sur les exomondes, tout comme la formation d'étoiles dans les nuages ​​de Magellan éclaire des régions similaires dans l'univers lointain. De la même manière, l'étude des galaxies en interaction conduit directement à l'objectif ultime de comprendre les débuts turbulents du cosmos.

Mais alors que les régions proches peuvent souvent servir d'analogues pour des environnements plus anciens et plus éloignés, JWST a été conçu pour observer directement les galaxies anciennes formées à l'aube du cosmos – et les astronomes ont adoré tester cette capacité.

L'une des premières images de JWST - et la première rendue publique - était une photo en champ profond de l'amas de galaxies SMACS 0723 dans la constellation sud des Volans. L'exposition a duré 12,5 heures, contre des semaines pour les différents champs profonds de Hubble, et enregistre des galaxies encore plus faibles et plus éloignées que Hubble pouvait voir.

Nous voyons SMACS 0723 tel qu'il est apparu il y a "seulement" 4,6 milliards d'années. Mais grâce à l'énorme masse de l'amas, qui agit comme une lentille gravitationnelle pour grossir et déformer les objets derrière lui, nous pouvons voir des galaxies qui existaient moins d'un milliard d'années après le Big Bang. Comme on pouvait s'y attendre, les plus petites galaxies du champ sont les plus éloignées. Curieusement, elles ne ressemblent en rien aux galaxies spirales et elliptiques plus matures plus proches de la Terre. Mais peut-être que les découvertes les plus importantes à ce jour sont les deux galaxies les plus éloignées jamais vues. En utilisant l'énorme amas de galaxies Abell 2744 dans Sculptor comme lentille gravitationnelle, les scientifiques ont découvert deux univers insulaires qui existaient seulement 450 millions et 350 millions d'années après le Big Bang (qui s'est produit il y a 13,8 milliards d'années). Les galaxies semblent exceptionnellement brillantes et auraient probablement commencé à s'assembler seulement 100 millions d'années après le Big Bang. Les chercheurs ne savent pas encore si les galaxies contiennent beaucoup d'étoiles sombres ou quelques étoiles de la population III extraordinairement brillantes - des étoiles massives hypothétiques composées uniquement d'hydrogène et d'hélium qui ont été les premières étoiles à orner le cosmos.

Le trajet de JWST sur cette fusée Ariane 5 s'est si bien déroulé que la NASA estime maintenant que l'observatoire dispose de suffisamment de carburant pour fonctionner pendant au moins 20 ans. Cela signifie que la science, les découvertes et les belles images ne font que commencer.