Le télescope spatial JWST doit permettre d’analyser les confins de l'univers. Après des années d’attente et des soucis de dernière minute, il devrait décoller dans deux mois. Les scientifiques attendent avec une certaine appréhension son déploiement, une étape longue et compliquée.

Les promesses et attentes autour du télescope James Webb sont élevées : « Tandis que la sensibilité limitée dans le domaine de l’infrarouge de Hubble l’empêchait de voir plus loin que 500 millions d’années après le Big-Bang, le JWST sera capable de voir des étoiles seulement 200 millions d’années après la naissance de l’Univers » selon le CEA.

Avant de voir les instruments qu’il embarque et comment les scientifiques comptent en arriver là, faisons un retour en arrière sur ce projet qui a débuté il y a plus de... trois décennies. Ses prémices remontent à 1989 lorsque Ricardo Giacconi (alors directeur du Space Telescope Science Institute à Baltimore et futur Prix Nobel de physique en 2002), réalise qu’il « fallait un minimum de 20 ans entre les premières études et la mise en orbite d’un projet spatial ».

Hubble n’était pas encore lancé, que son successeur était déjà dans toutes les têtes, pour une raison simple : « On sait ce que [Hubble] ne va pas découvrir. L’univers infrarouge le plus profond, on sait que Hubble ne l’explorera pas », nous explique Olivier La Marle, responsable du programme Sciences de l’Univers au CNES et délégué français au Science Program Committee de l’ESA.

Du NGST de 1989 au JWST du début des années 2000

Ricardo Giacconi lance donc un projet afin de préparer l’après Hubble Space Telescope (HST), qui était alors prévu pour… 2005, un calendrier bien trop ambitieux. Le nom de code de ce projet était alors New Generation Space Telescope (NGST). Il reste ensuite quelque temps en gestation, notamment parce que suite au lancement de Hubble en avril 1990, l’Agence spatiale américaine est occupée à corriger son problème de vue : il prenait des photos floues.

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Au milieu des années 90, Dan Goldin (alors directeur de la NASA) demande à ses scientifiques de penser « plus vite, meilleur et moins cher ». Si le James Webb Telescope réussit sans aucun doute sur le deuxième point, c’est une tout autre paire de manches pour les deux autres… Avec le NGST, le souhait de l’époque était d’avoir un miroir de 8 mètres, mais les coûts étaient bien trop importants et les ambitions ont donc été revues à 6 mètres « seulement ».

L’ESA et l’Agence spatiale canadienne rejoignent le projet du New Generation Space Telescope en 1997. Le lancement était alors prévu 10 ans plus tard, un calendrier qui ne sera lui non plus pas du tout tenu. Au début des années 2000, la NASA juge le projet « suffisamment mature » pour passer la seconde. Les Américains attendent de leurs partenaires européens qu’ils fournissent le lanceur Ariane 5 (qui était le seul à l’époque assez grand pour accueillir le télescope) et l’instrument scientifique Nirspec. Les chercheurs font pression auprès de la NASA pour que le satellite étudie aussi les infrarouges avec l’instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument).

Problème, il faut le refroidir à 7 K pour qu’il fonctionne correctement… ce qui refroidit aussi un peu les responsables de la NASA. Finalement, en 2003 elle cède et l’Agence spatiale européenne vote sa participation au projet, qui comprend donc Ariane 5, Nirspec et MIRI (nous aurons l’occasion de revenir sur le fonctionnement de ces instruments). Olivier La Marle précise que « tous ces accords reposent sur le principe de contribution en nature : aucune agence ne transfère de l’argent à une autre agence ».

Toujours au début des années 2000, le NGST change de nom pour une raison assez inattendue. En effet, la construction du satellite est confiée à Northrop Grumman et plus précisément à sa filiale Space Technologies… soit le sigle NGST. Le choix s’est donc porté sur James Webb, le second administrateur général de la NASA. Un choix désormais contesté par certains qui accusent James Webb d’avoir participé à la persécution des homosexuels aux États-Unis. Une enquête interne a été ouverte, puis refermée par la NASA. Le nom reste inchangé. 

Dans l'espace, la taille c'est très important 

Au final, le télescope dispose d’un miroir primaire de 6,5 mètres. David Elbaz, directeur de recherche au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, remet ce chiffre en perspective : « En 1929, Hubble publie l’article qui montre que l’univers est en expansion. Qu’est-ce qui le distingue de ses prédécesseurs ? Un mètre. Avant lui le plus grand télescope du monde mesurait 1,5 mètre de diamètre. Hubble a bénéficié le premier du télescope de 2,5 mètres du Mont Palomar. Le HST a le même diamètre que le télescope du Mont Palomar », mais il se trouve dans l’espace et n’est donc pas soumis à la « pollution » terrestre pour les mesures.

« Avec les JWST on ne va pas gagner un mètre, mais 4 mètres, ça fait un facteur 7 en surface et donc en sensibilité. On peut donc s’attendre à d’étonnantes découvertes imprévues. Mais ce qui est encore plus remarquable, c’est que le JWST observera dans le domaine de l’infrarouge moyen, il faudrait donc le comparer au précédent satellite dans ce domaine, Spitzer et cette fois c’est un facteur 50 que l’on va gagner en surface et sensibilité, car Spitzer avait un miroir de 85 cm », ajoute-t-il. Il permettra de voir des choses totalement inaccessibles dans le passé.

La recherche avec Hubble s’articule autour de quatre piliers, détaille David Elbaz lors d’une conférence :

• Quand et comment sont nées les premières galaxies ?
• Quand et comment les galaxies ont-elles donné naissance à leurs étoiles, trous noirs et ont-elles acquis leur forme ?
• Quand et comment sont nées les planètes et les exoplanètes ?
• Quand et comment sont nées les molécules dans les exoplanètes ? Peut-on identifier des biosignatures ?

MIRI est prêt depuis des années, il attend bien sagement

L’instrument MIRI est développé par la France et l’Europe. Il est terminé au début des années 2010 et livré en 2012/2013 aux Américains. Le lancement du télescope était alors prévu quelques années plus tard, aux alentours de 2018 (déjà largement en retard sur le calendrier initial), avant d’être repoussé à mars 2021, puis octobre et enfin au 18 décembre de cette année. Pendant tout ce temps, MIRI est resté bien sagement dans les locaux de la NASA.

Les scientifiques ont néanmoins profité de ce délai pour mener des tests complémentaires. Ils nous confirment que ce retard n’entache ni ne compromet les performances de l’instrument ou sa durée de vie. La mission nominale est prévue pour durer 5 ans et le décompte de la « garantie » des constructeurs débute au moment du lancement.

Pour quelques milliards de dollars de plus

Avec presque 15 ans de retard, difficile donc de parler de « plus vite » comme souhaité par Dan Goldin. En ce qui concerne le « moins cher » aussi c’est loupé dans les grandes largeurs. Alors que les premières ambitions étaient de tourner aux alentours des 500 millions de dollars (lors des phases préliminaires), la facture a explosé.

Elle passe rapidement à 1 milliard puis on arrive à 5 milliards en 2008 et enfin près de 10 milliards de dollars aujourd’hui. L’ESA n’est qu’un partenaire « junior » sur cette mission, elle ne voit donc pas ses coûts exploser de la même manière. Puisque l’instrument est livré depuis près de 10 ans, les coûts résiduels sont principalement liés aux équipes à maintenir en place (mais ils sont bien moins nombreux que lors de la phase de conception).

« À titre de comparaison, le HST aura coûté 4,1 milliards, entre la première phase de son étude et son lancement, auxquels il convient d’ajouter 250 millions par année pour son fonctionnement », rappellent le CNES, le CEA et le CNRS sur ce site officiel dédié au satellite. Quoi qu’il en soit, le James Webb Telescope est désormais dans les starting-blocs et les chercheurs attendent avec impatience le lancement.

Plusieurs d’entre eux nous expliquent être relativement confiants pour le décollage, qui se fera sur Ariane 5 ECA. Il faut dire que la fusée affiche un excellent taux de réussite malgré une frayeur en 2018. On n’est en tout cas pas du tout dans la même situation que le lancement des missions ExoMars à bords d’une fusée Soyouz, avec quelques « surprises » pour la mission dont les « Russes se sont bien gardés » de parler, expliquait alors Francis Rocard, responsable du programme d'exploration du système solaire au CNES.

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Les scientifiques pourront souffler après le déploiement

La partie qui inquiète le plus est le déploiement du satellite dans l’espace. Plusieurs étapes sont nécessaires et, contrairement aux lancements qui se font régulièrement, ce sera une première.

Le miroir est composé de 18 segments hexagonaux de 1,315 mètre de côté. Les trois sur la droite et les trois autres sur la gauche se replient pour prendre place dans la coiffe d’Ariane 5, avant de reprendre leur position dans l’espace. Le tout est monté sur un mât télescopique. Bref, c’est un origami complexe.

Cette délicate opération de déploiement doit durer deux semaines tout de même, soit la moitié du temps nécessaire pour atteindre la position finale. Les scientifiques ont même anticipé d’éventuels soucis en redondant « tout ce qui est possible de l’être ». Le télescope peut même fonctionner – dans un mode dégradé – si un seul des deux pans du miroir se met en place.

Le dernier report de quelques semaines est d’ailleurs en lien avec le déploiement du satellite et plus particulièrement les cinq couches du bouclier thermique, d’une surface équivalente à un terrain de tennis pour chacune d’entre elles. Ces dernières sont primordiales, car elles doivent protéger les miroirs et les instruments scientifiques de la lumière et de la chaleur de notre Soleil. Les attaches en « plastiques » inquiétaient un peu les scientifiques, qui ont donc décidé d’apporter des changements au carénage d’Ariane 5.

« À la demande de la NASA, nous avons introduit une légère modification dans le carénage qui a un impact sur la pressurisation a sa base. Nous avons trouvé la solution et l’avons appliqué pour ce vol [VA253 en aout 2020, ndlr]. Je suis donc impatient de voir les résultats », expliquait Daniel Neuenschwander (le directeur du transport spatial à l’ESA) en septembre 2020. Il y a ensuite eu VA254 en juillet de cette année et VA255 qui est prévu pour le 22 octobre.

Le JWST partira avec la mission VA256 le 18 décembre, Arianespace et la NASA auront donc eu plusieurs missions pour vérifier le fonctionnement de son carénage et la parfaite compatibilité avec le télescope. Le compte à rebours n’est pas encore lancé, mais James Webb touche au but puisque le satellite vient d’arriver en Guyane Française. Il va ensuite pouvoir être installé dans la coiffe d’Ariane 5 en version ECA.

Près de six tonnes, pour 10,5 m de haut et 4,5 m de large une fois plié. Crédits : NASA/Chris Gunn

Si tout va bien, début des hostilités en juin 2022

Une fois dans l’espace et déployé, le télescope devra encore rejoindre son camp de base au point de Lagrange L2 à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre. Cette période de transit doit durer environ un mois. S’il est lancé à la date prévue, le télescope « passera l’orbite de la Lune le 21 décembre puis il atteindra sa place le 18 janvier 2022, en accompagnant la Terre autour du Soleil, mais de loin », explique le CEA.

Le réveil des instruments et une vérification complète seront alors lancés, une procédure qui doit durer au total six mois. Les scientifiques s’attendent donc à commencer les expériences et obtenir les premières « images » dès le mois de juin 2022… si tout va bien.

Contrairement à Hubble qui a eu droit à des missions de maintenance, notamment dès le début pour corriger son problème de vue, ce ne sera pas possible avec le James Webb Telescope. En effet, il ne se trouve pas « dans la proche banlieue » de notre planète. La durée nominale de la mission est de 5 ans, mais les scientifiques espèrent bien aller beaucoup plus loin. Cette durée étant un engagement contractuel de la part des fournisseurs, ajouter des années couterait des millions.

Mais comme nous avons eu l’occasion de le voir avec les rovers martiens, des sondes spatiales (les sondes Voyager en sont un parfait exemple) et Hubble, l’obsolescence programmée n’a pas (encore ?) cours dans l’espace.

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