Un regard profond sur l'univers
Dans les prochains jours, le James Webb Space Telescope décollera pour sa mission dans l'espace. Pour le physicien de l'ETH Adrian Glauser, c'est un jour très attendu. Il a participé à la réalisation de ce projet ambitieux en apportant deux contributions discrètes, mais importantes.
Lorsque la fusée Ariane décollera dans les prochains jours du Centre spatial guyanais, Adrian Glauser réalisera un rêve qu'il caressait depuis longtemps : le James Webb Space Telescope (JWST), le successeur du télescope spatial Hubble, s'élancera dans l'espace pour une mission d'environ 10 ans. Cela fait 18 ans que le physicien de l'ETH travaille sur ce projet, et il a toujours dû se résigner à repousser cette ambitieuse entreprise. "Durant toutes ces années, j'ai appris à gérer ces revers avec calme", estime-t-il. "Mais maintenant que le lancement est à portée de main, je suis déjà excité".
Bien protégé du soleil
La JWST est l'une des missions spatiales les plus coûteuses qui soient. Avec un budget de près de 10 milliards de dollars américains, elle est le projet scientifique le plus coûteux à ce jour dans le domaine des vols spatiaux non habités. Contrairement à son prédécesseur, le nouveau télescope ne sera pas placé en orbite terrestre, mais à 1,5 million de kilomètres de la Terre, au point de Lagrange extérieur L2. Il s'agit de l'un des cinq points où un objet artificiel peut tourner autour du Soleil à la même vitesse que la Terre, sans que sa position relative par rapport à la Terre ne change.
Ce lieu particulier est particulièrement adapté à la mise en place d'un télescope spatial, car il est beaucoup plus facile de l'isoler du rayonnement solaire que sur une orbite terrestre. C'est particulièrement important pour le JWST : les quatre appareils de mesure infrarouge ne fonctionnent que si le moins de rayonnement parasite possible arrive du Soleil et si les variations de température sont réduites au minimum. Outre deux spectrographes infrarouges, le télescope est équipé d'une caméra pour le proche infrarouge, refroidie passivement à 50 kelvins, et d'un instrument de mesure pour le moyen infrarouge, appelé MIRI, refroidi activement à seulement 7 kelvins.
Des conditions extrêmes
Glauser a participé au développement de MIRI en tant que doctorant dans l'ancien groupe d'astronomie de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen. Aujourd'hui, il est le responsable du projet pour la participation suisse à la mission. "Nous avons développé, en étroite collaboration avec les deux partenaires industriels Ruag Aerospace et Syderal, un couvercle de fermeture en aluminium et des câbles de connexion électrique pour cet instrument de mesure", explique Glauser. A première vue, cela ne semble pas très spectaculaire. Mais si l'on pense que les composants doivent fonctionner de manière fiable pendant des années à des températures extrêmement basses dans l'espace, on comprend pourquoi il a fallu beaucoup de travail de développement.
Les câbles de connexion électrique en acier inoxydable, par exemple, sont beaucoup plus fins qu'un cheveu humain afin de transporter le moins de chaleur possible vers l'appareil de mesure. Ils sont isolés par un plastique spécial qui ne devient pas cassant, même à ces basses températures. "Tous les composants sont conçus de telle sorte qu'ils ne dégagent plus de molécules ou d'atomes dans l'espace. Ceux-ci se déposeraient sinon sur le miroir de l'instrument MIRI, qui agit comme un piège à froid en raison de la basse température. Cela nuirait aux mesures", explique Glauser. C'est pourquoi le plastique des câbles de connexion a dû être prétraité avant l'assemblage de l'instrument, afin qu'il ne dégage plus de gaz plus tard dans l'espace.
Pas de réparation possible
Le couvercle de fermeture, deuxième composant de fabrication suisse, doit également répondre à cette exigence. Ce couvercle protège l'instrument pendant la phase de refroidissement, avant que l'exploitation régulière ne commence. Il est également utilisé plus tard, lorsque l'instrument de mesure est étalonné. "Le mécanisme du couvercle doit fonctionner de manière fiable, sinon l'instrument tout entier devient inutilisable", explique Glauser. "Une réparation ultérieure est exclue en raison de la grande distance qui nous sépare de la Terre".
Lors du développement des composants, il y a eu plusieurs surprises. Par exemple, lors du retrait du couvercle, il s'est avéré que 13 des vis utilisées avaient un revêtement contenant du cadmium. Or, l'ESA considère le cadmium comme un élément critique, car ce métal lourd peut facilement se détacher des composés chimiques dans le vide. "J'ai alors développé une méthode de mesure spéciale pour montrer que ces vis ne libéraient pas de métal lourd", se souvient Glauser.
Des messages de l'univers primitif
Le JWST, à la conception duquel Simon Lilly, professeur d'astrophysique expérimentale à l'ETH Zurich, a largement contribué, est conçu pour quatre tâches qui nécessitent une grande sensibilité des instruments de mesure. Entre autres, les astrophysiciens veulent remonter jusqu'aux débuts de l'univers avec le nouveau télescope et découvrir ainsi comment les premières structures et étoiles se sont formées après le big bang. En outre, les scientifiques veulent également examiner à la loupe des planètes qui pourraient abriter la vie. "Avec le JWST, nous ne chercherons pas de nouvelles planètes, mais nous examinerons de plus près des objets déjà connus", constate Glauser. "Pour ce faire, nous mesurerons directement la lumière des planètes de manière spectrale".
En tant que chercheur, Glauser profite désormais du fait que le consortium MIRI disposera d'un temps de mesure privilégié. "C'est un grand avantage de participer au développement de tels instruments : Nous pouvons aborder nos projets plus rapidement que d'autres groupes de recherche".
Réfléchir à la prochaine mission
Glauser regrette que l'ancien groupe du PSI n'existe plus. "Nous avons certes beaucoup de savoir-faire ici à l'ETH Zurich. Mais si l'on veut participer au développement d'instruments, il faut des structures orientées sur le long terme. Ce n'est pas facile à mettre en place dans une haute école", et une perspective à long terme est indispensable pour de tels projets. Ainsi, Glauser collabore déjà, entre autres, à la préparation d'une mission visant à étudier, dans quelques décennies, des exoplanètes au climat tempéré et susceptibles de contenir de l'eau liquide dans leur atmosphère ou à leur surface.
"Je ne verrai pas le lancement de cette mission dans ma vie professionnelle", explique le chercheur. "Mais je trouve fascinant de réfléchir aujourd'hui à la manière dont il faudra plus tard construire un télescope pour pouvoir étudier de telles questions". Dans de tels projets, il n'y a pas simplement des scientifiques qui se contentent d'utiliser les instruments de mesure et des ingénieurs qui construisent ces instruments, explique-t-il. "Il faut aussi des développeurs d'instruments comme moi, qui définissent dans une perspective scientifique ce que les appareils doivent mesurer". Et si l'on participe au développement, on a un autre avantage en tant qu'institution de recherche : "On peut participer à la définition des questions de recherche qui seront au centre des préoccupations à l'avenir".
Attendre les premières images
Mais c'est maintenant la perspective à court terme qui est au premier plan pour Glauser. Peu après le lancement de la fusée Ariane, la phase critique de la mission James Webb commence : au cours de son voyage d'environ un mois jusqu'à sa destination finale, le télescope se déploiera progressivement jusqu'à atteindre sa taille maximale au cours d'une procédure compliquée. Viendra ensuite une phase de plusieurs mois au cours de laquelle les instruments de mesure seront refroidis à la température de fonctionnement et calibrés. Si tous les éléments fonctionnent comme prévu, les premières mesures scientifiques pourront être effectuées dès l'été prochain. Adrian Glauser se réjouit déjà des images que le nouveau télescope enverra vers la Terre.