Aboutissement de plus de 20 ans de planification et de développement, James Webb est le télescope spatial le plus complexe créé à ce jour.

Les instruments scientifiques de cet observatoire orbital né d’une collaboration entre les États-Unis, l’Europe et le Canada vont permettre de continuer et de préciser le travail de compréhension de l’Univers amorcé par les télescopes terrestres et spatiaux tels que Hubble, Spitzer et Herschel.

Le télescope a été conçu pour observer les confins du cosmos encore plus loin que jamais auparavant. Un de ses objectifs principaux consistera à détecter la lumière des toutes premières étoiles et galaxies, apparues il y a plus de 13,5 milliards d’années.

On pense que les premières lumières sont apparues autour de 200 à 400 millions d'années après le big bang. Hubble s’en est approché jusqu'à environ 500 à 600 millions d'années, mais il n’y est pas parvenu tout à fait. Webb pourrait y parvenir et nous pourrions voir les premières galaxies s’animer, explique le Pr René Doyon, de l’Université de Montréal, qui dirige l'équipe scientifique canadienne du télescope avec Chris Willott, du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du Conseil national de recherches du Canada.

Pour Martin Bergeron, gestionnaire des missions d’exploration planétaire et d’astronomie spatiale à l’Agence spatiale canadienne (ASC), le télescope est une superbe machine à remonter dans le temps.

« On veut remonter environ 280 millions d’années plus loin dans le temps que pouvait le faire Hubble, mais pas tout à fait au début de l’Univers, parce qu’il y a eu des périodes sombres. »

Un autre objectif de Webb est de mieux cerner la formation et l'évolution des galaxies, des étoiles et des planètes. Sa sensibilité infrarouge sans précédent permet de continuer le travail amorcé dans la lumière visible avec Hubble, mais qui ne réussissait pas à transpercer les nuages de poussière interstellaire.

Dans le cas de James Webb, la lumière infrarouge qu’il utilise est moins affectée par cette poussière, ce qui va permettre de mieux voir ce qui se cache derrière, ce qui va peut-être nous permettre de voir la formation et l’évolution des étoiles, soutient M. Bergeron.

On sait que les premières galaxies étaient petites et que celles que l’on voit aujourd’hui se sont probablement formées par agglomération, c’est-à-dire littéralement par des collisions de galaxies. On espère mieux comprendre comment cela se produit, affirme pour sa part le Pr Doyon.

Le travail de Webb permettra donc permettra d’observer les galaxies les plus anciennes, mais aussi les grandes spirales et elliptiques actuelles, pour comprendre comment elles s'assemblent au fil des milliards d'années.

L'un des objectifs du télescope est au cœur de l’expertise canadienne, puisqu’il concerne l’observation des exoplanètes, des planètes en orbite autour d'autres étoiles que notre Soleil. Webb récolte des données qui permettront peut-être de détecter leur atmosphère, de définir leurs propriétés et d’y trouver des biosignatures.

En analysant le spectre de certaines exoplanètes en transit devant leur étoile, il sera peut-être possible de voir si elles possèdent des atmosphères et si elles contiennent de l'eau, du dioxyde de carbone, du méthane et de l'oxygène, des éléments clés nécessaires à la présence de la vie, s’enthousiasme le Pr Doyon.

Je serais très très content qu’on détecte l'atmosphère d’une planète rocheuse du système Trappist-1, mais ça ne sera pas facile, admet avec l’espoir dans la voix le Pr Doyon, qui est également à la tête de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx).

Il faut savoir qu’au moins trois des sept planètes découvertes en 2017 en orbite autour de l’étoile Trappist-1 présentent des conditions qui pourraient être compatibles avec la présence d'eau liquide à leur surface.

Cela ne sera pas facile parce qu’il y a plein d'autres effets astrophysiques qui peuvent générer de faux positifs. Par exemple, la détection de l’eau pourrait être le résultat de taches qui se trouvent sur l’étoile elle-même. Nous allons devoir confirmer nos données avec des observations au sol avec d'autres instruments. C’est la combinaison de ces instruments-là qui va nous donner une histoire, résume le Pr Doyon.

On aimerait bien découvrir des conditions qui pourraient permettre des possibilités de la vie sur les planètes distantes, note Martin Bergeron.

Le télescope permettra aussi d'étudier dans un détail inégalé notre voisinage galactique, les planètes du système solaire et ses ceintures d’astéroïdes.

Nous pourrons obtenir des résolutions absolument remarquables de Mars qui permettront peut-être de trouver la présence d’eau [...] à la surface ou à l’intérieur de la planète. Dans le cas de la lune Encelade de Saturne, il sera possible de quantifier les geysers, se réjouit Olivier Hernandez, le directeur du Planétarium Rio Tinto.

Si on connaît assez bien la population stellaire de notre propre galaxie, on va pouvoir étudier les étoiles d’autres galaxies qui sont très proches, comme M31 (Andromède) située à moins de 3 millions d’années-lumière. On va certainement découvrir des objets intéressants. Cela promet énormément, et on pourra aussi partir à la recherche de la fameuse planète 9 (ou X) dans notre système, ajoute M. Hernandez.

Des yeux dans l’infrarouge

Le télescope Webb capte la lumière dans l’infrarouge proche et moyen, qui n’est pas visible à l'œil humain. Ses quatre instruments scientifiques ont été spécifiquement conçus pour observer cette lumière qui voyage beaucoup mieux dans la poussière cosmique, ce qui permet d’étudier avantageusement les objets célestes très lointains, comparativement à ce qu’il est possible de faire dans la lumière visible, dans les rayons X, ou même dans le rayonnement ultraviolet.

Puisque ces objets sont très éloignés, leur lumière, lorsqu'elle atteint le télescope, a été allongée jusqu'aux longueurs d'onde de l'infrarouge par un phénomène appelé décalage vers le rouge.

Webb détecte ainsi, comme aucun autre instrument avant lui, la lumière émise par les différents objets de l’Univers, tels que les galaxies et les différents types d'étoiles dont certaines sont trop froides pour émettre de la lumière visible, mais qui sont très lumineuses dans l'infrarouge.

Le miroir principal est composé de 18 sections hexagonales de béryllium plaqué or. Son diamètre atteint les 6,5 mètres, ce qui fait de Webb le plus grand télescope spatial jamais construit. Par comparaison, le miroir de Hubble atteint les 2,4 mètres, explique M. Doyon.

Un miroir secondaire est suspendu au-dessus du miroir primaire par une structure en forme de trépied qui transfère la lumière recueillie par le miroir principal vers le miroir tertiaire, puis vers ses instruments scientifiques.

Le miroir primaire, la principale structure, et les miroirs secondaire et tertiaire renvoient la lumière derrière le télescope vers une boîte qui contient les quatre instruments scientifiques, précise le Pr René Doyon.

Un écran de 21 m sur 14 m composé de cinq fines couches de polymère métallisé protège le télescope contre la chaleur émise par le Soleil et la Terre (environ 85 °C).

Le télescope sera ainsi à l’ombre d’un écran solaire de la taille d’un terrain de tennis. À l’ombre, il fera très froid, environ -233 °C, souligne le Pr Doyon.

Des panneaux permettent de transformer l’énergie solaire en électricité pour alimenter le télescope.

Une plateforme abrite les six systèmes de soutien du télescope : l’alimentation électrique, le contrôle et le maintien de l'orbite, les communications entre les instruments et la Terre, les commandes, le traitement des données, la propulsion, le contrôle thermique. Une antenne lui permet de communiquer avec trois stations radio situées en Australie, en Espagne et aux États-Unis, qui transmettent les données au centre d’opération du télescope situé à Baltimore, aux États-Unis.

Les quatre instruments scientifiques du télescope sont regroupés dans un châssis de métal de la taille d’un lave-vaisselle adossé au miroir principal.

Le Canada fournit à cette mission l’un de ces instruments, le NIRISS, mais aussi le détecteur de guidage de précision (FGS) du télescope qui joue un rôle central dans toutes les observations réalisées avec le télescope.

On est au cœur même de la machine avec le FGS. C’est une contribution exceptionnelle du Canada. C’est rare que la NASA fasse confiance à un partenaire externe pour fournir un élément aussi critique que le FGS, fait remarquer Martin Bergeron.

Cet outil permet de déterminer la position des objets célestes étudiés. Il peut suivre des cibles en mouvement, demeurer stable et pointer vers une cible particulière avec une extrême précision.

C’est une caméra infrarouge qui est relativement simple, mais extrêmement précise. Si on veut, toutes les observations et découvertes qui seront faites par Webb auront été obtenues grâce aux yeux canadiens, estime le Pr Doyon.

Le télescope, en raison de sa taille et de ses nombreux composants, n’est pas une structure extrêmement stable. Le rôle du FGS est d’absorber toutes les vibrations qui empêcheraient d'obtenir des images claires.

Si le télescope vibre le moindrement, les images que l’on obtiendrait seraient floues. On ne veut pas ça. Évidemment, on va avoir les images les plus fines que le télescope peut nous donner. C’est ce que permet le FGS, ajoute-t-il.

Ainsi, chaque fois que Webb va pointer un objet céleste, il va transmettre l’information au moteur de contrôle du télescope pour qu’il reste bien pointé avec une précision extrême. On parle ici d’un millionième de degré. L’idée est de rester longtemps et précisément fixé sur un point dans le ciel pour accumuler le plus de lumière possible, explique pour sa part M. Bergeron.

L’autre contribution canadienne est l’instrument NIRISS (pour imageur et spectrographe sans fente dans le proche infrarouge).

Il permet d’étudier les objets célestes les plus lointains de notre Univers, mais sa sensibilité spectroscopique dans l’infrarouge va aussi lui permettre d’étudier les exoplanètes aussi petites que la Terre et leurs fines atmosphères.

Une réussite encore plus grande pour l’équipe canadienne serait que le NIRISS permette de déterminer la composition de l’une de ces atmosphères en y détectant la présence de vapeur d’eau ou de CO2, ou de voir potentiellement des marqueurs biologiques comme le méthane ou l’oxygène.

Ainsi, NIRISS pourrait aider l’humanité à détecter les premiers indices de l’existence de mondes potentiellement habitables à l’extérieur de notre système solaire.

Avec son imageur sensible aux infrarouges, le NIRISS captera le rayonnement infrarouge émis par des objets et recueillera des renseignements sur le spectre de planètes lointaines.

L’objectif est de savoir si, oui ou non, il y a de la vie ailleurs. Cela va d’abord passer par déterminer si, sur cette planète qui ressemble à la Terre, il y a une atmosphère dans laquelle se trouvent des marqueurs, des biosignatures, soutient Olivier Hernandez, du Planétarium Rio Tinto.

Les deux éléments canadiens ont été conçus pour l’Agence spatiale canadienne par la compagnie Honeywell. Des experts de l’instrumentation pour le domaine de l'infrarouge de l’UdeM et du Conseil national de recherches du Canada ont participé à la confection des instruments.

La contribution de l’Université de Montréal a été de concevoir les éléments optiques et de les tester dans nos laboratoires pour vérifier qu’ils fassent bien ce qu’on veut. […] Les mécanismes des instruments canadiens ont été qualifiés pour qu’on puisse opérer une bonne dizaine d'années, affirme M. Doyon.

La NASA fournit le NIRCam, le dispositif infrarouge proche qui agit en quelque sorte comme le système d’imagerie principal du télescope. La vaste majorité des images obtenues avec Webb le seront avec cette caméra, explique René Doyon.

L’instrument peut observer l’Univers dans deux parties différentes de l’infrarouge proche. Grâce à lui, il sera possible de capter les images les plus profondes (les plus lointaines) jamais obtenues de l’Univers. Cet instrument sera essentiel dans la détection de la lumière des premières étoiles et galaxies.

Il étudiera aussi la formation des galaxies très lointaines et mesurera la distorsion de la lumière due à la matière noire. Il gardera également un œil sur les étoiles dans les galaxies proches et les étoiles jeunes de notre Voie lactée. Il observera les astres de notre système, dont les objets de la ceinture de Kuiper.

La NASA et l’ESA (Agence spatiale européenne) fournissent le MIRI. Il s’agit du seul instrument qui travaille dans l’infrarouge moyen. Qualifié de très polyvalent, il va permettre l’observation de systèmes solaires, dont le nôtre, mais aussi de l’Univers primordial. Il permettra également de détecter l'émission d'hydrogène et participera aussi à la recherche des premiers objets lumineux. Il sera aussi utilisé pour étudier différents types d’étoiles, comme les naines brunes et les planètes géantes.

L’ESA fournit le NIRSpec, le spectrographe infrarouge proche. Cet outil étudiera la lumière d’un objet dans ses différentes longueurs d’onde pour déterminer sa composition, sa densité et sa vitesse. Il permet, entre autres, d’étudier la formation des étoiles et l'abondance des éléments chimiques dans les jeunes galaxies lointaines.

Ces quatre instruments travailleront en équipe. Ils sont conçus pour aborder les quatre thèmes scientifiques d'une manière complémentaire. Par exemple, lorsque NIRCam prendra des images, NIRISS prendra des spectres du champ de vue qu’il observe. Presque en tout temps, il y aura deux instruments qui sont utilisés en parallèle, explique M. Doyon.

Le coût de la mission

La NASA estime sa contribution totale à la mission à près de 14 milliards de dollars canadiens.

Pour sa part, l’Agence spatiale canadienne a investi environ 178 millions de dollars entre 1998 et 2021 dans la conception et la construction des deux composantes canadiennes, et 16,5 millions de dollars pour soutenir les programmes scientifiques canadiens. Une quinzaine de millions de dollars s’ajouteront d’ici 2028 pour aider les scientifiques canadiens qui analyseront les données obtenues grâce aux temps d’observation au télescope Webb.

La contribution européenne s'élève à un peu plus d'un milliard de dollars canadiens.

L’Institut des sciences du télescope spatial (Space Telescope Science Institute) a pour mandat de gérer le fonctionnement du télescope en orbite. C’est lui qui sélectionne et programme les observations. C’est également lui qui gère la collecte, la distribution et l’archivage des données.

Cet institut a initialement été créé par la NASA pour gérer la recherche réalisée avec le télescope Hubble. Depuis 2018, il s’occupe également du télescope Webb.

L’accès aux instruments du télescope est réparti dans trois programmes d'observation : les programmes initiaux, les programmes en temps garanti et les programmes généraux.

L’équipe canadienne de l’astronome Els Peeters de l'Université Western sera l'une des premières à utiliser le télescope Webb, puisqu'elle est à la tête d'un des 13 programmes d'observation initiaux.

Les équipes de tous les programmes initiaux ont un accès exclusif au télescope Webb pendant les premiers mois d'activité. Les programmes ont été sélectionnés lors d'un concours en fonction de leur intérêt scientifique et de leurs avantages pour la communauté astronomique internationale.

Grâce à sa contribution à la création du télescope, le Canada et ses chercheurs disposent de 450 heures d'observation en temps garanti pendant les premières années de la mission.

Deux grands programmes se partageront 403 de ces heures. NEAT est chapeauté par l’astrophysicien David Lafrenière et ses collègues de l’Institut de recherche sur les exoplanètes de l’Université de Montréal, et CANUCS est dirigé par Chris Willott du Centre de recherche Herzberg en astronomie et en astrophysique du Conseil national de recherches du Canada. Ce dernier étudiera certaines des premières galaxies à prendre forme.

Sept autres programmes canadiens se partagent les 47 heures d'observation restantes.

De plus, les astronomes canadiens ont également accès à 5 % du temps d'observation prévu pour les programmes généraux sélectionnés. Les projets de 10 chercheurs canadiens ont été retenus. Leurs équipes, associées aux universités de Toronto, McGill, York, de Montréal, Bishop's et de l'Alberta sont ainsi parmi les premières à utiliser le télescope Webb.

Ces programmes sont choisis par la NASA chaque année tout au long de l'exploitation du télescope et financés par l’ASC.

D'observateurs à auteurs

Les projets d’observation des différentes équipes de scientifiques d’ici, mais également de partout dans le monde mèneront à des découvertes et à la publication de dizaines d’articles scientifiques dans les prochaines décennies.

Dans le cas de Hubble, plus de 17 000 articles révisés par des pairs ont été publiés dans les revues scientifiques depuis le début de sa mission, il y a plus de 30 ans.

Il est certain que l’on veut sortir des résultats le plus rapidement possible, indique le Pr Doyon.

Ceci dit, les instruments sont très complexes et l'analyse des données aussi. Il y aura donc une période d'apprentissage pour comprendre les données.

Reste que, pour René Doyon, l’arrivée de Webb dans le paysage astronomique est synonyme de nouvelle ère, particulièrement dans l’étude des exoplanètes.

Ce projet-là a grandement stimulé la création de l’Institut de recherche sur les exoplanètes de l’UdM. On était une douzaine [de chercheurs] en 2015 lorsqu'on l'a créé, et aujourd’hui on est une soixantaine, rappelle le scientifique.

Ainsi, une douzaine de professeurs, des chercheurs postdoctoraux et de nombreux étudiants orbitent autour de l’Institut. Une grande fraction des programmes d'observation obtenus de manière compétitive pour Webb l’ont été par des étudiants et des étudiantes, fait remarquer le Pr Doyon.