L’astronomie est motivée par de grandes questions, et elles ne viennent pas beaucoup plus loin que de se demander comment les premières étoiles et galaxies ont commencé à se former, donnant finalement naissance à notre propre existence.
Les réponses sont enfouies dans l’univers lointain, si lointain que la lumière a parcouru des milliards d’années pour nous parvenir, emportant les images des premières galaxies en formation. Cette première période, juste 200 millions d’années après le Big Bang, se situe au-delà de la portée déjà impressionnante des télescopes précédents. Grâce au télescope spatial NASA/ESA/CSA James Webb, il est désormais visible.
Mais même le plus grand télescope spatial n’est aussi bon que les instruments qui y sont attachés, et c’est là qu’intervient l’instrument NIRSpec, l’une des contributions européennes à la mission Webb.
« Au début de la conception de tout instrument se trouve l’ambition des scientifiques. Explorer la formation des premières étoiles et galaxies a vraiment façonné NIRSpec », déclare Pierre Ferruit, ancien scientifique du projet Webb pour l’ESA.
NIRSpec est le spectrographe proche infrarouge de Webb. Son travail consiste à diviser la lumière infrarouge collectée par Webb en ses longueurs d’onde constitutives pour former un spectre. En mesurant comment la luminosité varie sur différentes longueurs d’onde pour un objet dans l’espace, les astronomes peuvent extraire une mine d’informations sur ses caractéristiques physiques et sa composition chimique. Avant Webb et NIRSpec, il était impossible de faire cela pour ces galaxies les plus lointaines.
« Maintenant que nous pouvons faire cela, une immense avenue s’ouvre pour nous. Nous pouvons désormais étudier des galaxies lointaines de la même manière que nous étudions des objets plus proches », explique l’astronome de l’ESA Giovanna Giardino.
Le cheval de bataille de Webb : NIRSpec. Crédit : ESA/ATG medialab
Les données permettront aux astronomes de déterminer comment les galaxies ont évolué depuis les tout premiers stades du cosmos jusqu’aux objets que nous voyons autour de nous aujourd’hui.
NIRSpec a été développé sous la direction de l’ESA avec Airbus Defence and Space Germany comme maître d’œuvre. Airbus a réuni une équipe de soixante-dix personnes sur ses sites d’Ottobrunn et de Friedrichshafen, en Allemagne, et de Toulouse, en France. De plus, ils étaient soutenus par la NASA et 17 sous-traitants européens.
Dès le début, l’équipe a décidé que la meilleure façon de réussir était de ne pas trop compliquer quoi que ce soit. « Lorsque vous regardez la conception de NIRSpec, c’est assez simple », déclare Ralf Ehrenwinkler, responsable du programme NIRSpec chez Airbus.
Garder les choses simples dans la manière dont la lumière est acheminée à travers l’instrument a permis à l’équipe de se concentrer sur les aspects révolutionnaires de l’instrument. La principale d’entre elles était la nécessité d’enregistrer efficacement les spectres de nombreux objets en même temps, ce qui n’avait jamais été fait dans l’espace auparavant.
Cette capacité unique a été directement rendue nécessaire par le désir d’étudier l’univers lointain, où les galaxies sont si faibles. Il nous faudrait en observer des milliers pour dresser un tableau complet de nos premières origines.
Spectrographe multi-objet Webb NIRSpec. Crédit : ESA/ATG medialab
Nos premiers aperçus de ce royaume sont venus en 1995 avec l’historique Hubble Deep Field. Profitant de sa vue imprenable sur le cosmos, Hubble a scruté un seul morceau de ciel pendant dix jours consécutifs, à partir du 18 décembre. Le patch sélectionné n’était guère plus qu’un minuscule point, environ un 24 millionième de tout le ciel. Pourtant, Hubble a révélé environ 3000 objets jusque-là inconnus, la plupart étant de jeunes galaxies à des milliards d’années-lumière.
Grâce au grand miroir de 6,5 mètres de Webb, des images similaires en champ profond peuvent désormais être prises en heures plutôt qu’en jours, et NIRSpec peut enregistrer leurs spectres. Mais il y a tellement de galaxies à enregistrer qu’il serait complètement impossible si NIRSpec ne pouvait prendre qu’un seul spectre à la fois. L’équipe a donc dû trouver un moyen de le faire pour de nombreux objets simultanément.
Ils ont réussi de façon spectaculaire.
« Nous sommes capables de collecter des spectres pour jusqu’à 200 objets à la fois, cela change la donne », déclare Maurice Te Plate, ingénieur système NIRSpec pour l’ESA.
Pour réaliser cet exploit remarquable de multitâche, NIRSpec utilise un dispositif révolutionnaire appelé réseau de micro-obturateurs. Fabriqué et fourni par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, États-Unis, il se compose d’environ un quart de million de minuscules volets autonomes. Chacun mesure seulement 80 sur 180 micromètres. Ils peuvent être contrôlés individuellement pour s’ouvrir ou se fermer selon les besoins.
Cela résout l’un des plus gros problèmes d’obtention de spectres de l’univers lointain : les spectres d’objets plus proches, d’étoiles et de galaxies moins éloignées par exemple, gênent les plus faibles s’ils ne sont pas masqués.
« Nous ne laissons ouverts que ceux qui sont au-dessus des objets intéressants, et les autres sont tous fermés. Ainsi, seule la lumière provenant des cibles sélectionnées pénètre dans l’optique du spectrographe pour être analysée », explique Maurice.
En plus de l’univers lointain, NIRSpec est conçu pour observer des objets célestes beaucoup plus proches de chez nous : les exoplanètes. Les atmosphères de ces mondes absorbent une partie de la lumière infrarouge de leur étoile mère qui les traverse. En collectant la lumière de l’étoile et en la divisant en un spectre, NIRspec permet aux astronomes de rechercher les infimes quantités de lumière qui manquent à des longueurs d’onde spécifiques. Ils peuvent alors identifier les produits chimiques présents dans l’atmosphère de la planète et extraire d’autres informations sur les conditions physiques.
« Nous pouvons maintenant voir les signatures de nombreuses molécules cruciales dans l’atmosphère des exoplanètes qui ne sont pas visibles depuis le sol, ou avec l’instrumentation spatiale qui existait avant NIRSpec », explique Giovanna.
NIRSpec offre aux astronomes plus de fonctionnalités. Plus particulièrement, il peut diviser des objets plus grands comme des galaxies et des nébuleuses en 30 tranches et observer un spectre pour chaque tranche, le tout en un seul coup. Les cartes des conditions physiques et chimiques qui en résultent sont essentielles pour comprendre la naissance et la mort des étoiles et le fonctionnement des galaxies.
Pour fonctionner dans le proche infrarouge, NIRSpec, et la majeure partie du reste de Webb, doivent fonctionner à seulement 40 Kelvin (–233 ° C), maintenus au froid par le pare-soleil emblématique de Webb. Cela représente un grand défi lors de la fabrication d’instruments scientifiques précis. Différents matériaux rétrécissent à des vitesses différentes lorsqu’ils sont refroidis, ce qui produit de légères distorsions dans l’instrument qui affectent sa précision.
« C’était la chose la plus difficile et c’est pourquoi Airbus a décidé de fabriquer cet instrument principalement en carbure de silicium. La plaque de base, la plupart des structures et les miroirs sont tous en carbure de silicium », explique Ralf.
Le carbure de silicium est un matériau céramique qui, bien que difficile à travailler, est extrêmement stable à basse température. En en tirant la majeure partie de l’instrument, les distorsions thermiques pourraient être pratiquement éliminées. Mais cela signifiait être complètement certain de la conception avant le début de la fabrication.
NIRSpec a commencé comme un bloc de carbure de silicium dans ce qu’on appelle l’état vert, où le matériau est mou et peut être travaillé. NIRSpec a ensuite été usiné en forme de la même manière qu’un artiste travaille la pierre dans une sculpture. Tous les trous et les canaux ont été percés et une fois que tout était prêt, il a été placé dans un four pour être « fritté ». Cela durcit le matériau, le rendant extrêmement difficile à usiner. L’équipe a donc dû être complètement certaine de la conception avant de commencé la fabrication.
« Travailler dans le carbure de silicium était définitivement un défi, et je suis très fier que nous ayons réussi à le construire », déclare Maurice. En partie à cause de leur succès, le travail avec le matériau est maintenant devenu une spécialité européenne.
Le succès de NIRSpec a été mis en évidence pour l’équipe lorsque les premières images et données ont commencé à revenir sur Terre. « Je ne suis pas un scientifique, je suis un ingénieur. Donc, je suis très heureux de voir que toute la télémétrie est verte et que NIRSpec fonctionne. Mais je dirai que j’étais à Baltimore avec environ 200 autres personnes lorsque le premières images ont été diffusées. Nous avions tous les larmes aux yeux », raconte Ralf.
Et maintenant que les données arrivent en continu, beaucoup d’autres ressentent la même chose.
« Je suis assez étonné de la qualité des spectres que nous obtenons. Je peux voir que les observateurs sont également très satisfaits des données. Et pour moi, c’est pour cela que nous avons construit NIRSpec. Je pense que toute l’équipe le ressent. Maintenant que NIRSpec offre, c’est génial », déclare Pierre.
Une fois les analyses de données minutieuses terminées, nous aurons de nouvelles réponses à ces questions extraordinaires si importantes pour comprendre notre propre existence : comment les premières galaxies et étoiles se sont formées dans notre univers, et à quelle fréquence les planètes en orbite autour d’autres étoiles offrent des conditions qui permettraient la vie comme nous savons qu’il existe.
C’est pour cela que NIRSpec a été conçu : ouvrir de nombreuses fenêtres pour examiner les grandes questions.