:: OSEL.CZ :: – La cosmologie au seuil de l’ère du télescope Webb

La fusée Ariane 5 (source ESA/CNES/Arianespace) a lancé le télescope Webb dans l’espace.

Le 24 décembre 2021, la fusée Ariane 5 a été lancée, lançant le télescope spatial le plus grand et le plus complexe. Ainsi a commencé une période mensuelle très difficile, lorsqu’il a fallu démonter les jumelles pliées et les déplacer également vers sa position de travail. Le télescope de Webb doit être protégé de l’arrière-plan du Soleil et de la Terre. Il a besoin d’une position avec une position stable par rapport au Soleil et à la Terre. Il travaillera ainsi en emplacement stable au point de Lagrange (libération) L2. C’est une position où les forces gravitationnelles du Soleil et de la Terre s’équilibrent. Le point de libération L2 est du côté opposé de la Terre au Soleil. Cette position est idéale pour observer l’espace extra-atmosphérique et le moins perturbant ici est le rayonnement du Soleil et de la Terre. La première sonde à travailler ici était WMAP, qui étudiait le rayonnement relique.

Construction du télescope spatial James Webb (Source : ESA).

Construction du télescope spatial James Webb (Source : ESA).

Il existe actuellement deux observatoires astronomiques fonctionnels. Le premier est le satellite Gaia, qui détermine la position et le mouvement des étoiles avec une très grande précision et mesure ainsi leur parallaxe et donc leur distance avec une précision sans précédent. C’est aussi un observatoire spatial clé pour les observations cosmologiques. Le second est le satellite Spektr RG, qui se concentre sur l’étude des rayons X depuis l’espace. Ce satellite est également un atout majeur pour la cosmologie. Le télescope James Webb les rejoindra désormais.

Le 19 janvier 2022, le télescope de Webb a entièrement achevé le déploiement des miroirs primaire et secondaire jusqu’à la configuration finale et a continué jusqu’à son emplacement final.

Le télescope travaille dans le domaine du rayonnement infrarouge. Il faut donc s’assurer que la construction du télescope et les autres pièces à son voisinage ont une température suffisamment basse pour qu’elles n’émettent pas ce rayonnement thermique. C’est pourquoi le télescope est refroidi à très basse température à l’aide d’hélium liquide. En même temps, il est protégé du rayonnement solaire par un écran protecteur. La chaleur ne peut être dissipée qu’à partir d’un appareil spatial placé dans le vide par rayonnement. Si un rayonnement tombe sur eux, il est nécessaire qu’un maximum de rayonnement soit réfléchi et absorbé le moins possible. La partie absorbée contribue à l’échauffement et émet l’énergie reçue du rayonnement thermique. Bouclier d’une superficie de 300 m2 il est constitué d’un certain nombre de couches qui permettent une réduction spectaculaire du transport de chaleur entre ses deux surfaces extérieures. Même lorsque sa température de surface en direction du Soleil avoisine les 100°C, sa température de surface en direction du télescope sera de -230°C. Le télescope lui-même est ainsi protégé des rayons du soleil et de la chaleur.

Télescope Spitzer (NASA / JPL-Caltech).

Télescope Spitzer (NASA / JPL-Caltech).

Le miroir primaire du télescope est composé de dix-huit segments de forme hexagonale, qui forment ensemble à nouveau un hexagone. Le diamètre de son cercle circonscrit est alors de 6,5 m.Le segment intérieur manque et un miroir tertiaire et d’autres dispositifs sont placés à sa place. L’accent a été mis sur le poids le plus bas possible lors de la construction. Les segments sont en béryllium O-30-H. Il y a des côtes sur le dos, il n’y a pas de matière entre elles pour le soulagement. Le poids spécifique du miroir était de 14 kg / m 22. C’est un ordre de grandeur supérieur avec le télescope Hubble. Une couche d’or d’une épaisseur de 100 nm a été appliquée à la surface du miroir. La surface totale préparée est de 26,3 m2. Cependant, la pièce est ombragée par un miroir secondaire et la zone de travail est de 25,4 m2. La température de fonctionnement du miroir a été maintenue entre -223°C et -245°C. Rappelons que le diamètre du télescope Hubble est de 2,4 m et une surface de 4,5 m2.

Ancêtres du télescope Webb

Le problème avec l’observation de l’espace dans la région infrarouge du spectre est l’absorption de ce rayonnement principalement par la vapeur d’eau. Elle peut ainsi être observée soit depuis l’espace, soit à l’aide de télescopes au sol placés à haute altitude dans des conditions climatiques sèches particulières. Ces observatoires astronomiques se trouvent dans les montagnes hawaïennes ou dans les hautes montagnes d’Amérique du Sud.

Dans l’espace, le prédécesseur du télescope Webb était le télescope Spitzer. Cet appareil a été envoyé sur une orbite héliocentrique très proche de l’orbite de la Terre, dont il s’éloigne peu à peu. Le diamètre de son miroir est de 0,85 m. Il a été lancé le 25 août 2003. Le 15 mai 2009, l’approvisionnement en hélium liquide pour le refroidissement a été épuisé. Le télescope a ensuite fonctionné en mode limité chaud, enregistrant uniquement une région proche infrarouge à ondes courtes, jusqu’au 30 janvier 2020.

Télescope nordique de la paire Gemini (source Gemini Observatory).

Télescope nordique de la paire Gemini (source Gemini Observatory).

Les mesures infrarouges sont effectuées à la surface de la Terre à l’aide de grands télescopes situés dans des observatoires de haute altitude au climat sec. Plusieurs appareils sont largement utilisés sur une paire de télescopes Gemini à Hawaï. Ces télescopes ont chacun un diamètre de 8,1 m.Imageur proche infrarouge) est sur le Télescope Nord et IGRINS (Spectromètre infrarouge à réseau d’immersion) sur celle du sud. Grâce à ces appareils, de nombreuses informations intéressantes ont été obtenues sur les exoplanètes.

Vue des premières galaxies et étoiles

Le grand avantage des observations dans la région infrarouge du spectre, qui se manifeste principalement en cosmologie, est la capacité d’identifier et de voir les galaxies et les étoiles les plus éloignées. Compte tenu de la vitesse finale de la lumière, ce sont elles qui ont formé la première génération d’étoiles et de galaxies après le Big Bang. Ils étaient pour la plupart plus massifs, plus brillants et avec une température plus élevée. Ils brillaient si intensément dans la région du bleu à l’ultraviolet du spectre. Cependant, le redshift cosmologique de sa lumière s’est déplacé du rouge vers les longueurs d’onde infrarouges. Si les plus lointaines naissent parmi les galaxies, qui sont nées juste après le Big Bang, alors j’attire l’attention sur moi en rouge.

C'est la couleur rouge qui est un indicateur pour la recherche des galaxies les plus lointaines à l'aide du télescope Hubble dans le cadre du programme Hubble Ultra Deep Field (source : NASA).

C’est la couleur rouge qui est un indicateur pour la recherche des galaxies les plus lointaines à l’aide du télescope Hubble dans le cadre du programme Hubble Ultra Deep Field (source : NASA).

Dans son programme Champ ultra profond de Hubble le télescope Hubble regarde dans une petite zone en direction de la constellation de la Grande Ourse, c’est-à-dire perpendiculaire au plan de notre Galaxie. Dans cette direction, il y a un minimum d’étoiles de la Galaxie, ainsi que du gaz et de la poussière. Il est ainsi possible de plonger très profondément dans notre univers. Les photographies obtenues montrent un grand nombre de galaxies très lointaines. Les plus éloignés sont recherchés en fonction de la couleur rouge obtenue par le redshift cosmologique.

Les premières étoiles devraient être sensiblement différentes des actuelles. A cette époque, la composition élémentaire de l’univers devrait être différente de celle actuelle. Il ne doit contenir que les éléments les plus légers, qui sont l’hydrogène et l’hélium. Les plus lourdes devraient apparaître dans les premières générations d’étoiles. Ainsi, le cycle CNO ne pouvait pas avoir lieu dans les premières étoiles, elles étaient plus massives et plus brillantes. Ils avaient également des températures plus élevées et brillaient davantage dans la plage de longueurs d’onde plus courte.

Des galaxies extrêmement lointaines ont également été identifiées par le télescope Spitzer (source NASA).

Des galaxies extrêmement lointaines ont également été identifiées par le télescope Spitzer (source NASA).

L’observation d’étoiles et de galaxies lointaines avec des télescopes infrarouges nous fournira des informations sur l’évolution de ces objets, et donc aussi sur l’évolution de l’univers. Le rayonnement infrarouge avec un spectre thermique peut également nous donner des informations sur la distribution, la température et d’autres propriétés de la poussière spatiale.

Décisions entre modèles cosmologiques

C’est la mesure dans l’infrarouge qui pourrait départager différents modèles cosmologiques. Ils peuvent tester des modèles concurrents pour le Big Bang. Un exemple est modèle par collègue Václav Vavryčuk. Son idée est que des oscillations ont lieu dans l’univers, mais il n’a pas traversé une phase très chaude et dense et des formes exotiques de la matière. Le fond micro-onde observé n’est donc pas un rayonnement relique, mais un rayonnement thermique donné par l’équilibre thermodynamique toujours pérenne de la matière et du rayonnement. Dans son modèle, l’opacité de la poussière et du gaz remplissant l’univers est telle qu’il n’y a pas de séparation de la matière et du rayonnement. De ce fait, la composition de la matière dans son univers ne change pas, même les premières étoiles au début de l’expansion doivent contenir des éléments lourds, et il ne faut pas observer l’évolution des étoiles ou des galaxies, ou seulement dans une mesure limitée. Dans le même temps, la poussière extragalactique devrait être distribuée de manière relativement homogène et isotrope dans notre univers, de sorte qu’elle fasse briller l’univers de manière isotrope dans la région de son rayonnement thermique actuel. Cela devrait être le rayonnement de fond des micro-ondes.

Berceau d'étoile observé avec le télescope Spitzer.  Le rayonnement infrarouge lui permet de pénétrer profondément dans la nébuleuse Oph à Hadonosh, qui se trouve à environ 410 années-lumière de la Terre (source NASA).

Berceau d’étoile observé avec le télescope Spitzer. Le rayonnement infrarouge lui permet de pénétrer profondément dans la nébuleuse Oph à Hadonosh, qui se trouve à environ 410 années-lumière de la Terre (source NASA).

De la description précédente du modèle, il ressort que les futures mesures infrarouges du télescope Webb devraient prendre une décision sur la validité de ce modèle. S’il est confirmé que les premières étoiles diffèrent des étoiles actuelles et ne contiennent pas d’éléments lourds, et que l’on observe l’évolution des étoiles et des galaxies, alors le modèle du collègue Vavryčuk est réfuté. De même, une mesure très précise de la distribution infrarouge de la poussière extragalactique et de ses propriétés peut déterminer la validité du modèle. Il est si clair que c’est le télescope de Webb qui peut définitivement décider du modèle.

Observations des planètes et des systèmes planétaires

Un autre domaine important sur lequel le télescope James Webb se concentrera est l’étude des systèmes planétaires dans d’autres soleils. Les planètes et les disques de poussière des systèmes planétaires naissants brillent intensément dans la gamme infrarouge thermique. Au contraire, l’étoile centrale brille très intensément dans le domaine visible, et son intensité est plus faible dans le domaine infrarouge. Dans la région infrarouge, les planètes et la poussière planétaire ne sont pas si surexposées par l’étoile centrale. Le spectre peut ensuite être utilisé pour déterminer la température de la planète. Par exemple, le télescope Spitzer a été le premier à observer l’évolution des conditions météorologiques et des températures atmosphériques dans l’exoplanète gazeuse géante HD 1889733b. Dans le domaine infrarouge, certains éléments et composés chimiques importants brillent. Il peut être utilisé pour étudier les atmosphères exoplanétaires et déterminer leur composition.

Le télescope James Webb est sur le point de commencer ses travaux (source ESA).

Le télescope James Webb est sur le point de commencer ses travaux (source ESA).

Un autre domaine est l’étude des étoiles primordiales, dans lesquelles les réactions thermonucléaires ne se sont pas encore déclenchées. A ce moment, seule la contraction gravitationnelle élève leur température, au cours de laquelle elle est libérée et convertie en chaleur par l’énergie potentielle gravitationnelle. Ces étoiles brillent principalement dans le domaine infrarouge. Des jumelles infrarouges peuvent également les capter et les étudier. Nous pouvons nous attendre à des progrès significatifs dans l’étude des exoplanètes et à la recherche de celles qui contiennent des atmosphères propices à la naissance de la vie. Nous pouvons également nous attendre à une expansion de nos connaissances sur les premiers stades de l’évolution stellaire.

Conclusion

Le lancement réussi du télescope Webb dans l’espace, son déballage réussi et la poursuite de son voyage vers la position finale sont une énorme promesse. Il faudra plusieurs semaines avant qu’il puisse être entièrement préparé et testé avant le début de l’observation, mais le réveil de cette rupture potentielle dans l’observation cosmologique approche. Nous avons donc vraiment quelque chose à attendre.

Pour la sixième fois, j’ai eu une conférence du Nouvel An sur les nouvelles cosmologiques pour la section cosmologique de ČAS. La première partie de la conférence était consacrée au télescope Webb. L’intégralité de la conférence, où cinq autres sujets cosmologiques de l’année dernière ont été abordés, est ici :

Siestetraîneau pour les serveurs Donkey et Cosmonautix.

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