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Pourquoi le télescope spatial James Webb (JWST) voit-il l’espace en lumière infrarouge ? » ABC des sciences

Pourquoi le télescope spatial James Webb (JWST) voit-il l’espace en lumière infrarouge ?  » ABC des sciences

L’imagerie infrarouge permet au JWST de visualiser des objets célestes qui étaient auparavant cachés par des nuages ​​épais, et présente également l’avantage de tenir compte du décalage vers le rouge de la lumière dans l’espace. Par conséquent, cela nous permet de regarder des étoiles et des galaxies anciennes et lointaines de l’Univers primordial.

JWST (également connu sous le nom de “Webb”), nous a fourni une nouvelle perspective et une nouvelle méthode pour visualiser les événements d’un passé lointain (il y a environ 13,5 milliards d’années).

Cependant, l’œil modifié qu’il fournit ne possède pas la même mécanique qu’un œil humain. Au lieu d’observer le spectre de la lumière visible (que les humains peuvent voir), JWST préfère voir la lumière infrarouge sur d’autres spectres de lumière. Étant donné que l’œil ne peut pas voir la majorité de la lumière émise par les objets célestes, il est approprié de le qualifier de « nouvel œil », compte tenu de ses capacités et de ses découvertes révolutionnaires.

Mais quels sont les avantages de visualiser la plage infrarouge sur des longueurs d’onde plus longues, telles que les spectres des micro-ondes et des ondes radio ? Avant de répondre à cela, il est nécessaire de comprendre que différents spectres lumineux ne sont que différentes longueurs d’onde d’énergie produites par la même source lumineuse (voir l’image ci-dessous). Lorsque la longueur d’onde est plus courte, l’énergie transportée par la lumière est plus grande. C’est pourquoi il faut éviter les rayons UV émis par le Soleil ! Ce sont des longueurs d’onde puissantes qui peuvent causer ADN dégâts.

Lumière visible vectorielle avec différence de longueur d'onde entre les couleurs du spectre qui donnent différentes propriétés à l'œil humain peut voir le spectre de couleur blanche composé de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel (udaix)

Spectre électromagnétique; Les longueurs d’onde de l’énergie produite par une source de lumière (Crédit photo : udaix/Shutterstock)

Quels sont les spectres de lumière ? Et qu’utilisent les autres télescopes pour l’imagerie ?

Six des sept spectres lumineux nous sont invisibles. En conséquence, nos yeux ne peuvent voir qu’un infime pourcentage de tout objet qui produit de la lumière – les longueurs d’onde de la “lumière visible” – allant de 4 à 10-sept à 7×10-sept. Comme le montre le graphique ci-dessus, les ondes radio ont les longueurs d’onde les plus longues, les rayons gamma ont la longueur d’onde la plus courte et l’infrarouge a une longueur d’onde plus grande que la lumière visible.

Le nom « infrarouge » est utilisé parce que cette gamme de lumière se situe légèrement en dessous des longueurs d’onde de la lumière rouge visible, tandis que les longueurs d’onde au-dessus du spectre visible semblent être plus bleues/violettes, d’où le titre « Ultraviolet ». Alors qu’est-ce que les spectres lumineux ont à voir avec les images télescopiques ?

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Les télescopes utilisent des détecteurs et des caméras pour filtrer différentes longueurs d’onde, garantissant que seules les longueurs d’onde souhaitées sont collectées et transformées électroniquement pour être visualisées. Par rapport à ses prédécesseurs, JWST dispose de nombreux détecteurs sensibles (y compris la caméra infrarouge moyen et la caméra proche infrarouge) pour voir le spectre complet de la lumière infrarouge et nous offrir des photos plus nettes et plus détaillées de la lumière provenant de milliards d’années-lumière. .

D’autre part, le télescope spatial Hubble détecte la lumière dans le spectre visible, tandis que le télescope spatial Spitzer observe la lumière dans une plage plus courte dans le spectre infrarouge. De plus, l’observatoire Chandra X-Ray observe la lumière dans son spectre de rayons X. En conséquence, on peut dire que chaque télescope nous donne différentes perspectives pour observer l’univers.

Spitzer sur le spectre électromagnétiqueSpitzer sur le spectre électromagnétique

Gammes du spectre électromagnétique sur lesquelles se concentrent différents télescopes (Crédit photo : James Webb Space Telescope/Wikimedia Commons)

Quels sont les avantages de l’utilisation du rayonnement infrarouge dans les télescopes ?

Étant donné que différentes longueurs d’onde de lumière montrent des processus et des événements distincts dans l’espace, l’utilisation du spectre infrarouge nous offre une perspective et un objectif différents pour notre Univers. En conséquence, il existe plusieurs raisons pour lesquelles l’infrarouge est préféré aux longueurs d’onde plus longues, telles que les micro-ondes ou les ondes radio. La capacité de la lumière infrarouge à traverser des nuages ​​​​de poussière et de gaz denses et glacials (par rapport à d’autres longueurs d’onde), un phénomène connu sous le nom de “Redshift”, et la relation entre la longueur d’onde et la température sont les trois raisons essentielles pour lesquelles JWST utilise l’observation infrarouge. .

Nuages ​​transparents ?

Le rayonnement infrarouge a la capacité unique de pénétrer d’épais nuages ​​de poussière et de gaz que les autres longueurs d’onde de la lumière ne peuvent pas percer. Lorsqu’ils sont vus via les gammes visible ou UV, ces nuages ​​froids et denses sont opaques, car les petites particules de poussière à l’intérieur peuvent absorber les longueurs d’onde plus courtes de la lumière. Par conséquent, lorsque ces courtes longueurs d’onde sont utilisées pour l’imagerie, cela empêche la détection de la lumière des objets derrière ou à l’intérieur des nuages, et seule la lueur du nuage est perceptible. C’est gênant, car des zones de formation d’étoiles se trouvent à l’intérieur de ces nuages ​​!

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Après avoir été balayée avec une lumière infrarouge, la poussière commence à perdre sa capacité à masquer et à obscurcir tout ce qui se trouve à l’intérieur et derrière elle. Par conséquent, JWST est capable de voir à travers des objets qui semblaient auparavant impénétrables, et il finira par révéler les premières étoiles et galaxies de notre univers qui étaient auparavant cachées.

Les télescopes Webb et Hubble comparent les avantages visuels côte à côte. Les télescopes Webb et Hubble comparent les avantages visuels côte à côte.

Vue de Webb (infrarouge) et de Hubble (lumière visible) de la nébuleuse Carina ; il y a plus de détails dans l’image infrarouge de Webb, puisque vous pouvez voir la pépinière d’étoiles dans la nébuleuse. (Crédit photo : Claudio Caridi/Shutterstock)

Le décalage vers le rouge peut être déroutant

Pour commencer, l’un des principaux objectifs de JWST est d’examiner certaines des premières étoiles, galaxies et planètes qui ont émergé après le début de l’univers. En conséquence, Webb doit analyser des zones de l’espace qui sont incroyablement éloignées ! En regardant plus profondément dans l’espace, nous sommes capables de regarder plus loin dans le passé, en raison du temps que la lumière met pour voyager et nous atteindre. D’un point de vue cosmique, la vitesse de la lumière pourrait paraître assez lente aux astronomes !

Le principe du décalage vers le rouge est introduit ici, ce qui peut parfois être déroutant, mais essayons de le comprendre maintenant, car il s’agit d’un phénomène physique important qui se produit dans les ondes lumineuses. Dans les années 1920, nul autre qu’Edwin a découvert que l’Univers s’étendait à un rythme accéléré. Hubble! Il a également observé que lorsque nous regardons plus loin dans l’espace, les objets s’éloignent de nous plus rapidement en raison de l’expansion de l’univers, ce qui provoque un décalage vers le rouge.

Au fur et à mesure que l’univers s’étend, la lumière émise par des objets anciens et distants est étendue à des longueurs d’onde plus longues. En conséquence, la lumière des galaxies et des étoiles de l’univers primitif aurait vu sa longueur d’onde tellement allongée par le tissu spatio-temporel en expansion qu’elle est maintenant principalement détectée dans le spectre infrarouge.

Illustration vectorielle cosmologique redshiftIllustration vectorielle cosmologique redshift

Longueur d’onde et distance d’origine (gauche) et étirée (droite) entre la Terre et une galaxie lointaine. (Crédit photo : VectorMine/Shutterstock)

Ce phénomène d’augmentation/d’étirement des longueurs d’onde lumineuses vers le spectre infrarouge est appelé “décalage vers le rouge”. Par conséquent, Webb doit observer l’ancien univers avec des détecteurs infrarouges, afin de voir une partie de la lumière la plus ancienne qui s’est “décalée vers le rouge” au cours de 13,6 à 13,8 milliards d’années !

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Yeux thermiques dans l’espace

Considérons un instant les caméras thermiques. Toutes ces caméras, comme la JWST, contiennent des capteurs infrarouges. Des aéroports à l’espace extra-atmosphérique, le rayonnement infrarouge est le meilleur pour détecter même les plus faibles changements de température, ce qui simplifie la compréhension des concepts liés à la température tels que la luminosité, la luminosité, la composition moléculaire, etc. Contrairement à la croyance commune, de nombreux objets célestes, tels que les nébuleuses, les planètes et les vieilles étoiles, sont en fait plutôt froids (par rapport aux étoiles brillantes).

Illustration vectorielle graphique de l'imagerie thermique Numérisation des mains et des doigts sur un arrière-plan flou.  Spectre électromagnétique.Illustration vectorielle graphique de l'imagerie thermique Numérisation des mains et des doigts sur un arrière-plan flou.  Spectre électromagnétique.

Ci-dessus, un balayage thermique (infrarouge) des mains d’une personne. Dans ces scans, les régions bleues sont plus froides, tandis que les parties jaune/orange/rouge sont plus chaudes. Nous sommes conditionnés à associer le rouge à la chaleur, mais cela n’est vrai qu’en imagerie thermique, pour des raisons conventionnelles. Dans le spectre électromagnétique, le bleu vif est nettement plus chaud que le rouge brillant ! (Crédit photo : studio Cipta/Shutterstock)

Nous pouvons détecter la lumière infrarouge pour déduire ce qui est caché par des objets massifs, tels que des nuages ​​​​de poussière, qui sont autrement opaques à la lumière visible. Ceci est possible car plus quelque chose est froid (moins énergétique), plus sa longueur d’onde sera longue. La lumière, la luminosité et la température ont un lien direct qui peut être mieux remarqué et compris lorsque le rayonnement infrarouge est utilisé, car les étoiles et les galaxies les plus anciennes sont plus froides et moins énergétiques.

Les étoiles plus jeunes et plus chaudes émettent plus de lumière visible !

Conclusion

Comprendre comment fonctionne l’infrarouge nous permet de reconnaître qu’il a plus d’avantages que les autres longueurs d’onde de lumière en termes de découverte des premières structures de l’univers. De plus, les scientifiques combinent souvent les données des télescopes à «lumière visible» (Hubble) avec des télescopes infrarouges (tels que JWST) pour créer une image composite. Les données de chaque télescope sont ensuite fusionnées pour fournir des images encore plus détaillées. Alors ne vous inquiétez pas, personne n’oubliera jamais ce que Hubble a accompli pour nous et continuera à le faire. Heureusement, nous avons maintenant plus d’yeux cosmiques que jamais !

Hubble, Webb et leur image combinée de M74 – The Phantom Galaxy (Crédit photo : NASA/Wikimedia Commons)

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