Le télescope James-Webb contient une technologie de Heidelberg

Vue de l'artiste de Webb sur une fusée Ariane 5. (Copyright : ESA / D. Ducros)

Travail en salle blanche : MIRI est un instrument combiné de caméra et de spectromètre. Des composants mécaniques importants ont été développés et construits à l'Institut Max-Planck d'astronomie à Heidelberg. © Stephen Kill / STFC

Haute technologie mobile : le roue à filtres transforme MIRI en un instrument scientifique. À l'exception des éléments optiques, l'Institut Max-Planck d'astronomie a conçu, construit, fabriqué et testé cette pièce. Les 18 éléments optiques comprennent des filtres pour limiter la gamme de longueurs d'onde, des coronographes pour couvrir des objets lumineux ainsi qu’un prisme. © MPIA / La roue à filtres fait de MIRI un instrument scientifique. À l'exception des éléments optiques, le MPIA a planifié, conçu, construit et testé la roue à filtres. Les 18 éléments optiques incluent des filtres pour réduire la plage de longueurs d'onde, des coronographes pour couvrir des objets lumineux et un prisme. © MPIA

Photo de groupe sous le télescope : cette photo a été prise à l'occasion d'une réunion du consortium James Webb et montre les dimensions de l'observatoire spatial. Le modèle de ce télescope spatial James Webb correspond à la taille de l'original. © Örs Hunor Detre / MPIA / Cette photo, prise lors d'une réunion du consortium James Webb, montre les dimensions du télescope spatial James Webb. Le modèle de ce télescope correspond à sa taille d'origine. © Örs Hunor Detre / MPIA

La mission du télescope spatial James Webb se déroule jusqu'à présent avec succès. Après le lancement en décembre 2021, le voyage vers le site d'observation situé dans le fameux point de Lagrange L2 et une phase de calibration et de tests de plusieurs mois, « James Webb » fournit maintenant les premières images. À bord du télescope spatial se trouvent des composants développés et construits à l'Institut Max-Planck pour l'astronomie. Parmi eux, un filtre rotatif qui transforme la caméra MIRI du Webb en un instrument scientifique, permettant aux astronomes de répondre à certaines des questions de recherche les plus urgentes. Cette contribution est une pierre angulaire qui, à l'avenir, aidera à maintenir la position de l'institut de Heidelberg à la pointe de la recherche astronomique mondiale.

Le 25 décembre 2021, après des décennies de planification, de développement et de construction, ainsi que plusieurs retards, le télescope James Webb (JWST) a été lancé dans l'espace par une fusée Ariane 5 depuis le centre spatial européen de Kourou en Guyane française. Pour deux des instruments de mesure à bord, l'Institut Max-Planck pour l'astronomie a contribué à plusieurs composants techniques clés. L'institut de Heidelberg est l'un des principaux partenaires du consortium européen pour MIRI (Mid-InfraRed Instrument). Des ingénieurs de l'institut, avec le soutien de la société Hensoldt à Oberkochen, ont notamment développé un filtre rotatif pour la caméra MIRI ainsi que deux roues à réseau pour le spectrographe MIRI.

« Avec ses propres départements techniques tels que des laboratoires, un bureau de conception ainsi que des ateliers pour l'électronique et la mécanique de précision, notre institut a accumulé depuis des décennies une expérience dans la fabrication d'instruments de mesure pour les satellites », explique Oliver Krause, chef du groupe de recherche en astronomie infrarouge spatiale à l'Institut Max-Planck de Heidelberg et principal responsable des contributions techniques. Cette expertise est désormais également essentielle dans le développement de ces composants exigeants pour le JWST.

De plus, l'équipe de Krause joue un rôle de leader dans le développement du système électrique de l'instrument MIRI. MIRI travaillera dans le domaine du spectre de la lumière infrarouge, couvrant des longueurs d'onde entre cinq et 28 micromètres (millionièmes de mètre). L'instrument est si sensible qu'il pourrait détecter une bougie sur l'une des lunes de Jupiter, située à environ 700 millions de kilomètres.

Par ailleurs, l'Institut Max-Planck pour l'astronomie participe au développement d'une roue à filtre et d'une roue à réseau pour l'instrument NIRSpec (Spectrographe à infrarouge proche). NIRSpec couvre une gamme spectrale comprise entre 0,6 et cinq micromètres.

Tous ces mécanismes cryogéniques — c'est-à-dire des parties mobiles fonctionnant à des températures extrêmement basses — doivent supporter des températures allant jusqu'à -266 degrés Celsius, atteintes par des dispositifs de refroidissement supplémentaires. Dans ces conditions, les lubrifiants et matériaux classiques ne fonctionneraient pas. Les mécanismes doivent fonctionner avec précision, de façon durable et surtout sans maintenance. « Car les missions de réparation, comme pour le télescope Hubble, ne sont pas possibles pour le JWST », explique Thomas Henning, directeur général de l'Institut Max-Planck pour l'astronomie. Le James Webb ne travaille pas en orbite terrestre, mais est stationné à 1,5 million de kilomètres de notre planète. Cette position d'observation a été atteinte par l'observatoire fin janvier 2022.

Les contributions matérielles instrumentales de l'institut et de ses sous-traitants industriels pour les deux instruments mentionnés du JWST ont déjà été livrées avec succès à la NASA en 2012/2013. Depuis lors, ces instruments ont dû passer une série de campagnes de tests rigoureux. L'équipe de Heidelberg a joué un rôle déterminant dans la préparation, la réalisation et l'évaluation de ces tests à la NASA aux États-Unis. De plus, l'équipe est fortement impliquée dans le développement du futur logiciel de traitement des données pour l'instrument MIRI.

Pour leurs contributions techniques, les instituts de recherche participants reçoivent en échange ce que l'on appelle des programmes GT (Guaranteed Time = temps d'observation garanti). La groupe d'Oliver Krause participe également intensément à ces programmes, parfois à des postes de direction. En outre, les astronomes du Max-Planck ont pu obtenir une part importante du temps d'observation, accessible à tous les chercheurs. Seuls les meilleurs programmes, sélectionnés lors d'une évaluation compétitive, peuvent bénéficier de cette ressource limitée qu'est le temps d'observation.

En tant que co-investigateur de l'instrument MIRI, Thomas Henning dirige l'un des grands projets scientifiques utilisant cet instrument. « Nous voulons découvrir quelle matière de construction les planètes rencontrent dans leurs nurseries, les disques de gaz et de poussière autour des jeunes étoiles. Pour cela, nous utiliserons le spectrographe MIRI pour analyser la composition chimique du gaz et des particules de poussière », explique le scientifique. Certains chercheurs ont rejoint son institut en provenance des États-Unis pour y mener une recherche de pointe mondiale avec le JWST. Laura Kreidberg, également directrice à l'Institut Max-Planck pour l'astronomie, a réussi deux propositions d'observation. Il s'agit d'étudier l'atmosphère des exoplanètes.

Le télescope spatial James Webb a été développé sous la direction de la NASA depuis 1996. Il est considéré comme le successeur du télescope spatial Hubble en ce qui concerne les connaissances attendues. Ce dernier fournit déjà depuis plus de 30 ans des images impressionnantes ainsi que des découvertes révolutionnaires. Les exigences pour le JWST sont donc très élevées.

Informations complémentaires

Le consortium MIRI regroupe les États membres de l'ESA : Belgique, Danemark, Allemagne, France, Irlande, Pays-Bas, Suède, Suisse, Espagne et Royaume-Uni. Le JWST est un projet commun de la NASA, de l'ESA et de l'agence spatiale canadienne CSA.

Le travail du consortium est financé par les organismes scientifiques nationaux, en Allemagne par la Max-Planck-Gesellschaft (MPG) et le Centre allemand pour l'aéronautique et l'espace (DLR). Les institutions allemandes impliquées sont l'Institut Max-Planck pour l'astronomie à Heidelberg, l'Université de Cologne, et la société Hensoldt AG à Oberkochen, anciennement Carl Zeiss Optronics.