Les ingénieurs procèdent à une « réception » de l'instrument infrarouge moyen du télescope spatial James Webb au Goddard Space Flight Center 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 à Rutherford, au Royaume-Uni, contient des détecteurs infrarouges. Le cryorefroidisseur est situé loin du détecteur car il fonctionne à une température plus élevée. Un tube transportant de l'hélium froid relie les deux sections.
Le MIRI (à gauche) est posé sur une poutre d'équilibre chez Northrop Grumman à Redondo Beach alors 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 plus froide 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 ardue : collecter la lumière infrarouge des coins les plus reculés de l'univers, permettant aux scientifiques de sonder la structure et les origines de l'univers. Notre univers et notre place dans celui-ci.
De nombreux objets cosmiques — y compris les étoiles et les planètes, ainsi que le gaz et la poussière à partir desquels ils se forment — émettent de la lumière infrarouge, parfois appelée rayonnement thermique. Mais il en va de même pour la plupart des autres objets chauds, comme les grille-pain, les humains et les appareils électroniques. Cela signifie que les quatre instruments infrarouges de Webb peuvent détecter leur propre lumière infrarouge. Pour réduire ces émissions, l'instrument doit être très froid — environ 40 Kelvin, ou moins 388 degrés Fahrenheit (moins 233 degrés Celsius). Mais pour fonctionner correctement, les détecteurs à l'intérieur de l'instrument infrarouge moyen, ou MIRI, doivent devenir plus froids : en dessous de 7 Kelvin (moins 448 degrés Fahrenheit, ou moins 266 degrés Celsius).
C'est 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 à laquelle les atomes se déplacent, et en plus de détecter leur propre lumière infrarouge, les détecteurs 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 indésirables sont ce que les astronomes appellent « bruit », et ils peuvent submerger les faibles signaux que Webb essaie de détecter.
Après le lancement, 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 de refroidir passivement. Environ 77 jours après le lancement, le cryorefroidisseur de MIRI mettra 19 jours pour réduire la température des détecteurs de l'instrument à moins de 7 Kelvin.
« Il est relativement facile de refroidir des objets à cette température sur Terre, souvent pour des applications scientifiques ou industrielles », explique Konstantin Penanen, expert en cryoréfrigérateurs 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 peu économes en énergie. Pour un observatoire spatial, nous avons besoin d'un refroidisseur compact, économe en énergie et extrêmement fiable, car nous ne pouvons pas le réparer nous-mêmes. Voilà donc les défis auxquels nous sommes confrontés. À cet égard, je dirais que les cryoréfrigérateurs MIRI sont incontestablement à la pointe. »
L'un des objectifs scientifiques de Webb est d'étudier les propriétés des premières étoiles qui se sont formées dans l'univers. La caméra proche infrarouge de Webb ou l'instrument NIRCam sera capable de détecter ces objets extrêmement éloignés, 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 qui se sont formées plus tard dans l'évolution d'une galaxie.
En observant des nuages ​​de poussière plus épais que les instruments proches de l'infrarouge, MIRI révélera les lieux de naissance des étoiles. Il détectera également des molécules que l'on trouve couramment sur Terre, comme l'eau, le dioxyde de carbone et le méthane, ainsi que des molécules de minéraux rocheux comme les silicates, dans les environnements froids autour des étoiles proches, où des planètes peuvent se former. Les instruments proches de l'infrarouge sont plus efficaces pour détecter ces molécules sous forme de vapeurs dans des environnements plus chauds, tandis que MIRI peut les voir sous forme de glace.
« En combinant l'expertise américaine et européenne, nous avons développé MIRI comme la puissance de Webb, qui permettra aux astronomes du monde entier de répondre aux 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 MIRI et chercheuse principale européenne pour l'instrument au UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Le cryorefroidisseur MIRI utilise de l'hélium gazeux (en quantité suffisante pour remplir 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'à l'endroit où se trouve le détecteur. Le tube traverse un bloc de métal qui est également fixé au détecteur ; l'hélium refroidi absorbe l'excès de chaleur du bloc, maintenant la température de fonctionnement du détecteur en dessous de 7 Kelvin. Le gaz chauffé (mais toujours 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 qui transportent l'hélium sont en acier inoxydable plaqué or et ont moins d'un dixième de pouce (2,5 mm) de diamètre. Il s'étend sur environ 30 pieds (10 mètres) du compresseur situé dans la zone du bus du vaisseau spatial au détecteur MIRI dans l'élément du télescope optique situé derrière le miroir primaire en nid d'abeille de l'observatoire. Un matériel appelé ensemble de tour déployable, ou DTA, relie les deux zones. Une fois emballé pour le lancement, le DTA est comprimé, un peu comme un piston, pour aider à installer l'observatoire rangé dans la protection au sommet de la fusée. Une fois dans l'espace, la tour s'étendra pour séparer le bus du vaisseau spatial à température ambiante des instruments du télescope optique plus froids et permettre au pare-soleil et au télescope de se déployer complètement.
Cette animation montre l'exécution idéale du déploiement du télescope spatial James Webb quelques heures et quelques jours après le lancement. L'expansion de l'ensemble de la tour centrale déployable augmentera la distance entre les deux parties du MIRI. Elles sont reliées par des tubes hélicoïdaux à l'hélium refroidi.
Mais le processus d'allongement nécessite que le tube d'hélium soit étendu avec l'assemblage de la tour extensible. Ainsi, le tube s'enroule comme un ressort, c'est pourquoi les ingénieurs de MIRI ont surnommé cette partie du tube « Slinky ».
« Travailler sur un système couvrant plusieurs régions de l'observatoire présente certains défis », a déclaré Analyn Schneider, responsable du programme MIRI au JPL. « Ces différentes régions sont gérées par différentes organisations ou centres, dont Northrop Grumman et le Goddard Space Flight Center de la NASA aux États-Unis ; nous devons communiquer avec chacun d'entre eux. Aucun autre équipement du télescope n'est nécessaire pour cela, ce qui constitue un défi spécifique à MIRI. La route vers les cryoréfrigérateurs MIRI a été longue, et nous sommes prêts à les voir dans l'espace. »
Le télescope spatial James Webb sera lancé en 2021 en tant que premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb dévoilera les mystères de notre système solaire, observera des mondes lointains autour d'autres étoiles et explorera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre lieu. Webb est une initiative internationale dirigée par la NASA et ses partenaires l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
MIRI a été développé grâce à un partenariat 50-50 entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le JPL dirige l'effort américain pour MIRI, et un consortium multinational d'instituts astronomiques européens contribue à l'ESA. George Rieke de l'Université d'Arizona est le chef de l'équipe scientifique américaine de MIRI. Gillian Wright est la cheffe de l'équipe scientifique européenne de MIRI.
Alistair Glasse de l'ATC, Royaume-Uni, est scientifique de l'instrument MIRI et Michael Ressler est scientifique de projet américain au JPL. Laszlo Tamas de l'ATC du Royaume-Uni dirige l'Union européenne. Le développement du cryorefroidisseur MIRI a été dirigé 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.