Espace : pourquoi le télescope James Webb va révolutionner l'observation spatiale en succédant à Hubble

Les astronomes en parlent depuis vingt ans. Après de multiples reports et retards, le télescope James Webb doit être lancé ce samedi 25 décembre, grâce à une fusée Ariane 5. Franceinfo vous explique pourquoi ce nouveau télescope, dont le coût a explosé jusqu'à atteindre 10 milliards de dollars (8,9 milliards d'euros) – financé par la Nasa, l'Agence spatiale européenne et l'Agence spatiale canadienne – va révolutionner l'observation spatiale, que cela soit pour scruter des objets relativement proches ou très lointains.

Parce que c'est le télescope le plus puissant jamais envoyé dans l'espace

Le James Webb space telescope (JWST), aussi simplement appelé James Webb, est considéré comme un bijou d'ingénierie spatiale. Il est équipé d'un large miroir composé de 18 petits miroirs de forme hexagonale. Une fois dans l'espace, l'ensemble doit se déplier à la façon d'un origami, comme le montre cette vidéo (en anglais).

Quand il est déployé, le JWST fait 8 mètres de haut, et son pare-soleil, qui compte cinq couches d'épaisseur, s'étend sur une surface grande comme un court de tennis. "Normalement, les mécanismes comme ceux présents sur le JWST sont la hantise des ingénieurs spatiaux" parce qu'ils craignent qu'ils se bloquent ou qu'ils s'ouvrent mal, remarque auprès de franceinfo Olivier Berné, astrophysicien au CNRS. "Là, il y en a une centaine. C'est inédit et c'est une mission déjà extraordinaire de ce point de vue-là", commente celui qui est également responsable d'un projet scientifique sur le James Webb.

Surtout, le JWST, qui pèse 6 tonnes, est le télescope le plus puissant jamais envoyé dans l'espace. Pour en revenir au miroir, qui permet de mesurer la puissance d'un télescope, celui de Hubble, lancé en 1990, fait 2,4 mètres de large alors que celui du JWST en fait 6,5, comme l'explique cette vidéo de la Nasa (en anglais).

Concrètement, comme le miroir de James Webb est plus grand que celui de Hubble, il peut capter davantage de lumière et donc voir bien plus loin. De quoi aussi avoir une meilleure résolution.

"C'est un gap technologique qui est réalisé avec le James Webb, grâce à des instruments jamais construits avant."

Anthony Boccaletti, astronome à l'Observatoire de Meudon

à franceinfo

Contrairement à ses cousins sur Terre, le JWST ne sera pas gêné par la lumière et l'atmosphère de notre planète : il se placera à 1,5 million de kilomètres de nous, au deuxième point de Lagrange (alors que Hubble est en orbite à 570 km au-dessus de nos têtes).

Parce qu'il va nous permettre de voir l'Univers de façon inédite

"L'un des objectifs scientifiques du JWST est de regarder la lumière des premières étoiles qui se sont formées peu après le big-bang, explique Olivier Berné. Nous ne savons pas bien comment se sont créées ces premières étoiles nécessaires à l'enrichissement de l'Univers en éléments chimiques plus lourds", poursuit-il. 

Or, pour pouvoir regarder des objets aussi anciens et éloignés, il faut se placer dans l'infrarouge. En effet, l'Univers étant en expansion, les planètes, les galaxies s'éloignent constamment de nous. Avec cet éloignement, la lumière de ces objets célestes se décale vers le rouge, un phénomène appelé "effet doppler" en français ("red shift" en anglais).

Conçu pour travailler dans l'infrarouge, le JWST pourra ainsi sonder l'Univers très profondément et observer pour la première fois des objets très anciens formés il y a 13,5 milliards d'années (contre 12,5 milliards d'années pour Hubble). Autrement dit, nous allons être en capacité d'observer l'Univers lorsqu'il était très jeune puisque le big-bang a eu lieu il y a environ 13,7 milliards d'années. Michel Blanc, astronome émérite à l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie, évoque une "percée formidable".

"Si Hubble a très bien occupé l'observation dans la lumière visible et l'ultraviolet, James Webb travaille surtout dans l'infrarouge. Il ouvre de nouvelles portes."

Michel Blanc, astronome

à franceinfo

Pour mieux comprendre l'apport de l'infrarouge, voici un exemple de ce qu'elle permet par rapport à la lumière visible. Dans ces deux photos prises par Hubble et diffusées via le compte Twitter officiel de James Webb, l'image de gauche est dans la lumière visible. Celle de droite, dans la lumière infrarouge. On constate que, sur la seconde, les objets visibles sont bien plus nombreux et que l'infrarouge permet de voir à travers la poussière.

.@NASAHubble demonstrates the differences between visible (left) and infrared (right) light in these images of a stellar nursery. #NASAWebb will see even more infrared light, working with Hubble to reveal more of our universe. Credit: NASA, ESA, STScI #NebulaNovember pic.twitter.com/EUEclK5gbX

— NASA Webb Telescope (@NASAWebb) November 21, 2021

Et voici une simulation de ce que James Webb pourrait être capable de faire. L'image de gauche montre la lumière visible, celle de droite donne une idée de ce que pourrait produire le JWST.

Webb is a heat seeker that will detect invisible infrared light, unlike our phone cameras, which photograph visible light. The cameras on Webb's NIRCam and NIRISS instruments will both see in the near-infrared range, while its MIRI instrument will take images in mid-infrared. pic.twitter.com/pvTMOx6t6E

— NASA Webb Telescope (@NASAWebb) June 29, 2021

Travailler spécifiquement dans l'infrarouge n'est pas nouveau. Le télescope Spitzer est spécialisé dans ce domaine. Mais le James Webb, lui, est 1 000 fois plus puissant que ce dernier, selon la Nasa (en anglais).

Des observations aussi fines vont avoir des répercussions multiples. S'il se montre prudent sur la teneur des découvertes à venir, Anthony Boccaletti, astronome à l'Observatoire de Meudon (Hauts-de-Seine), dit à franceinfo être "certain" que le JWST sera à l'origine d'importants progrès dans nos connaissances.

"Il va y avoir, dans plein de domaines de l'astrophysique, des avancées majeures grâce au JWST."

Anthony Boccaletti

à franceinfo

Parce qu'il va permettre de redécouvrir des objets célestes déjà connus

Sa capacité à travailler dans l'infrarouge permet également à James Webb d'observer les corps froids, qui sont plus difficiles à détecter. C'est ce que va montrer Thierry Fouchet, du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique de Paris.

Il travaille sur un projet illustrant les capacités du JWST. Il ne va pas le pointer en direction d'un objet lointain, mais va s'attarder sur ceux relativement proches de nous et froids : Jupiter, ses anneaux et ses lunes. En poussant les outils du James Webb dans ses derniers retranchements, il va, entre autres, étudier les satellites de la plus grande planète de notre système solaire, comme Io, Ganymède et Callisto. Son objectif : cartographier les glaces qui se trouvent à leur surface, établir leur âge, leur température, la vitesse à laquelle elles se recomposent.

Pour l'étude de Jupiter, il reconnaît ne pas s'attendre à des nouveautés étonnantes. "Nous serons plus dans le raffinement" de nos connaissances actuelles, concède-t-il. Les découvertes sont plutôt attendues pour les satellites.

"Je ne serais pas surpris que l'on soit surpris. Nous avons très peu d'informations. On ne sait pas trop à quoi s'attendre et rien n'a encore été vérifié de façon robuste."

Thierry Fouchet, astrophysicien à l'Observatoire de Paris

à franceinfo

Parce qu'il va nous aider à mieux connaître les exoplanètes

Depuis la découverte de la première planète en dehors de notre système solaire en 1995, les nouvelles trouvailles pleuvent. Sauf que ces astres souvent très éloignés demeurent encore méconnus. "Le JWST va permettre de les observer avec une précision inégalée", commente Olivier Berné, astrophysicien au CNRS et responsable de projet scientifique sur le télescope.

"On va pouvoir regarder à l'intérieur des systèmes planétaires comme si nous regardions le nôtre. C'est quelque chose de particulièrement nouveau."

Olivier Berné, astrophysicien

à franceinfo

Les astrophysiciens vont obtenir des informations précises sur la composition des atmosphères des exoplanètes, comme la température, la densité. Ils auront également des données sur la présence ou non de "molécules organiques pouvant être des précurseurs de la vie", relève l'astrophysicien. 

Les exoplanètes ciblées "sont très jeunes, très grosses et très chaudes. Donc elles ne peuvent pas abriter la vie ni être habitables", tempère Anthony Boccaletti. "Découvrir une exoplanète habitable et se dire qu'il y a de la vie ailleurs dans l'univers est l'objectif ultime, mais ce n'est pas la majorité des observations que l'on va faire avec James Webb", ajoute-t-il.

Parce qu'il ouvre la voie à l'observation de phénomènes très peu étudiés

Nicole Nesvadba, astrophysicienne à l'Observatoire de la Côte d'Azur, s'intéresse aux trous noirs supermassifs, qui se trouvent au centre des galaxies et font entre un million et plusieurs milliards de masses solaires. Si la première image directe d'un trou noir supermassif a été publiée en 2019, "nous connaissons assez mal ces phénomènes tout à fait exceptionnels", explique-t-elle à franceinfo.

Selon elle, le JWST va très probablement être "révolutionnaire" pour comprendre la façon dont les trous noirs supermassifs interagissent avec leur environnement. Il va permettre d'observer "en détail" un phénomène qui n'a été étudié "sérieusement" qu'une fois grâce au télescope Spitzer, il y a une dizaine d'années, détaille-t-elle.

Avec le JWST, les chercheurs vont notamment pouvoir se pencher sur les "vents galactiques" générés par le trou noir supermassif de la galaxie 3C326N, qui se trouve à environ 1 milliard d'années-lumières de la Terre. En ligne de mire : des gaz qui ne sont pas observables depuis le sol. Leur comportement pourrait éclairer la raison pour laquelle cette galaxie n'a pas formé d'étoiles depuis dix milliards d'années.