Des ingénieurs procèdent à la « réception » de l'instrument infrarouge moyen du télescope spatial James Webb au centre de vol spatial Goddard de la NASA après son départ du Royaume-Uni.
Les techniciens de vol du JPL, Johnny Melendez (à droite) et Joe Mora, inspectent le cryorefroidisseur MIRI avant de l'expédier à Northrop Grumman à Redondo Beach, en Californie. Là, le refroidisseur est fixé au corps du télescope Webb.
Cette partie de l'instrument MIRI, visible au laboratoire Appleton de Rutherford, au Royaume-Uni, contient des détecteurs infrarouges. Le cryorefroidisseur est situé à distance du détecteur car il fonctionne à une température plus élevée. Un tube transportant de l'hélium froid relie les deux sections.
MIRI (à gauche) est posé sur une poutre d'équilibre chez Northrop Grumman à Redondo Beach, tandis que les ingénieurs se préparent à utiliser un pont roulant pour le fixer au module d'instruments scientifiques intégrés (ISIM). L'ISIM est le cœur de Webb, les quatre instruments scientifiques qui abritent le télescope.
Avant que l'instrument MIRI — l'un des quatre instruments scientifiques de l'observatoire — puisse fonctionner, il doit être refroidi à une température proche de la température la plus basse que la matière puisse atteindre.
Le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu le 24 décembre, est le plus grand observatoire spatial de l'histoire et il a une tâche tout aussi redoutable : collecter la lumière infrarouge provenant des confins de l'univers, permettant aux scientifiques d'explorer la structure et les origines de l'univers, notre univers et notre place en son sein.
De nombreux objets cosmiques — étoiles, planètes et gaz et poussières qui les composent — émettent un rayonnement infrarouge, parfois appelé rayonnement thermique. Mais c'est également le cas de la plupart des objets chauds, comme les grille-pain, les êtres humains et les appareils électroniques. Cela signifie que les quatre instruments infrarouges du télescope Webb peuvent détecter leur propre rayonnement infrarouge. Pour réduire ces émissions, l'instrument doit être maintenu à une température très basse : environ 40 kelvins, soit -233 °C (-388 °F). Cependant, pour fonctionner correctement, les détecteurs à l'intérieur de l'instrument infrarouge moyen (MIRI) doivent être refroidis encore davantage : en dessous de 7 kelvins (-266 °C ou -448 °F).
Cela représente seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu (0 Kelvin) – la température la plus froide théoriquement possible, bien qu'elle ne soit jamais physiquement atteignable car elle représente l'absence totale de chaleur. (Cependant, MIRI n'est pas l'instrument d'imagerie le plus froid fonctionnant dans l'espace.)
La température est essentiellement une mesure de la vitesse de déplacement des atomes. Outre la détection de leur propre rayonnement infrarouge, les détecteurs du télescope Webb peuvent être déclenchés par leurs propres vibrations thermiques. MIRI détecte la lumière dans une gamme d'énergie inférieure à celle des trois autres instruments. Par conséquent, ses détecteurs sont plus sensibles aux vibrations thermiques. Ces signaux parasites, que les astronomes appellent « bruit », peuvent masquer les faibles signaux que Webb tente de détecter.
Après son lancement, le télescope Webb déploiera une visière de la taille d'un court de tennis qui protégera MIRI et d'autres instruments de la chaleur du soleil, leur permettant ainsi de se refroidir passivement. Environ 77 jours après le lancement, le cryorefroidisseur de MIRI mettra 19 jours à abaisser la température des détecteurs de l'instrument en dessous de 7 kelvins.
« Sur Terre, il est relativement facile de refroidir des objets à cette température, souvent pour des applications scientifiques ou industrielles », explique Konstantin Penanen, expert en cryorefroidisseurs au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Californie du Sud, qui gère l'instrument MIRI pour la NASA. « Mais ces systèmes terrestres sont très encombrants et énergivores. Pour un observatoire spatial, nous avons besoin d'un système de refroidissement compact, économe en énergie et extrêmement fiable, car nous ne pouvons pas intervenir sur le terrain pour le réparer. Ce sont là les défis auxquels nous sommes confrontés. À cet égard, je dirais que les cryorefroidisseurs de MIRI sont sans conteste à la pointe de la technologie. »
L'un des objectifs scientifiques du télescope Webb est d'étudier les propriétés des premières étoiles formées dans l'univers. La caméra proche infrarouge de Webb, ou instrument NIRCam, sera capable de détecter ces objets extrêmement distants, et MIRI aidera les scientifiques à confirmer que ces faibles sources de lumière sont des amas d'étoiles de première génération, plutôt que des étoiles de deuxième génération formées plus tard dans l'évolution d'une galaxie.
En observant des nuages ​​de poussière plus épais que ne peuvent détecter les instruments infrarouges proches, MIRI révélera les berceaux des étoiles. Il détectera également des molécules courantes sur Terre — comme l'eau, le dioxyde de carbone et le méthane, ainsi que des molécules de minéraux rocheux tels que les silicates — dans les environnements froids entourant les étoiles proches, là où des planètes peuvent se former. Les instruments infrarouges proches sont plus performants pour détecter ces molécules sous forme de vapeurs dans des environnements plus chauds, tandis que MIRI peut les observer sous forme de glace.
« En combinant l’expertise américaine et européenne, nous avons développé MIRI, qui est la puissance de Webb, et qui permettra aux astronomes du monde entier de répondre à de grandes questions sur la façon dont les étoiles, les planètes et les galaxies se forment et évoluent », a déclaré Gillian Wright, co-responsable de l’équipe scientifique de MIRI et chercheuse principale européenne pour cet instrument au Centre de technologie astronomique du Royaume-Uni (UK ATC).
Le cryorefroidisseur du MIRI utilise de l'hélium gazeux — une quantité suffisante pour gonfler environ neuf ballons de fête — pour évacuer la chaleur des détecteurs de l'instrument. Deux compresseurs électriques pompent l'hélium à travers un tube qui s'étend jusqu'au détecteur. Ce tube traverse un bloc métallique également fixé au détecteur ; l'hélium refroidi absorbe l'excès de chaleur du bloc, maintenant ainsi la température de fonctionnement du détecteur en dessous de 7 kelvins. Le gaz chauffé (mais encore froid) retourne ensuite au compresseur, où il expulse l'excès de chaleur, et le cycle recommence. Fondamentalement, le système est similaire à celui utilisé dans les réfrigérateurs et les climatiseurs domestiques.
Les tuyaux transportant l'hélium sont en acier inoxydable plaqué or et ont un diamètre inférieur à 2,5 mm. Ils s'étendent sur environ 10 mètres, du compresseur situé dans la plateforme du vaisseau spatial jusqu'au détecteur MIRI, intégré à l'élément du télescope optique derrière le miroir primaire en nid d'abeille de l'observatoire. Un système appelé tour déployable (DTA) relie ces deux zones. Lors du rangement pour le lancement, la DTA est comprimée, un peu comme un piston, afin de faciliter l'installation de l'observatoire rangé dans sa protection au sommet de la fusée. Une fois dans l'espace, la tour se déploie pour séparer la plateforme du vaisseau spatial, maintenue à température ambiante, des instruments du télescope optique, plus froids, et permet le déploiement complet du pare-soleil et du télescope.
Cette animation illustre le déploiement idéal du télescope spatial James Webb, quelques heures et quelques jours après son lancement. Le déploiement de la tour centrale augmentera la distance entre les deux parties du MIRI, reliées par des tubes hélicoïdaux remplis d'hélium refroidi.
Mais le processus d'allongement nécessite que le tube à hélium soit étiré à l'aide de l'ensemble de tour extensible. Le tube s'enroule donc comme un ressort, c'est pourquoi les ingénieurs de MIRI ont surnommé cette partie du tube « Slinky ».
« Travailler sur un système qui couvre plusieurs régions de l'observatoire présente certains défis », explique Analyn Schneider, responsable du programme MIRI au JPL. « Ces différentes régions sont dirigées par différentes organisations ou centres, notamment Northrop Grumman et le Centre de vol spatial Goddard de la NASA. Nous devons donc dialoguer avec tous les acteurs concernés. Aucun autre équipement du télescope n'a besoin de gérer cela ; c'est donc un défi propre à MIRI. Le développement des cryorefroidisseurs de MIRI a été long, et nous sommes impatients de les voir dans l'espace. »
Le télescope spatial James Webb sera lancé en 2021 et deviendra le premier observatoire spatial au monde dédié aux sciences spatiales. Webb lèvera le voile sur les mystères de notre système solaire, observera les mondes lointains autour d'autres étoiles et explorera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre place dans l'Univers. Webb est une initiative internationale menée par la NASA et ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
MIRI a été développé grâce à un partenariat à parts égales entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le JPL dirige la contribution américaine à MIRI, tandis qu'un consortium multinational d'instituts astronomiques européens y contribue. George Rieke, de l'Université d'Arizona, est le responsable de l'équipe scientifique américaine de MIRI. Gillian Wright dirige l'équipe scientifique européenne de MIRI.
Alistair Glasse, d'ATC (Royaume-Uni), est scientifique responsable de l'instrument MIRI, et Michael Ressler est scientifique de projet américain au JPL. Laszlo Tamas, d'ATC (Royaume-Uni), dirige l'Union européenne. Le développement du cryorefroidisseur MIRI a été mené et géré par le JPL en collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt (Maryland) et Northrop Grumman à Redondo Beach (Californie).