Un instrument de chez nous à bord du télescope James Webb

René Doyon et le téléscope James Webb
Photo: Northrop Grumman René Doyon et le téléscope James Webb

Le télescope James Webb, qui sera lancé dans l’espace le 18 décembre prochain, emportera avec lui un double instrument de conception canadienne, dont l’une des parties, appelée NIRISS, est le fruit d’une recherche que l’astronome René Doyon a commencée il y a exactement 20 ans. On imagine donc que l’émotion sera à son comble pour ce chercheur de l’Université de Montréal lorsque la fusée contenant le télescope prendra son envol.

« Au début du projet, il ne devait pas y avoir d’instrument canadien dans le télescope James Webb. L’Agence spatiale canadienne (ASC) ne devait fournir que le détecteur de guidage de précision (« fine guidance sensor », ou FGS). On a souvent fait valoir l’intérêt d’intégrer un quatrième instrument au télescope, mais ça nous était refusé. On nous disait qu’on pouvait toutefois contribuer à un des trois instruments scientifiques déjà planifiés [soit le NIRCam, fourni par la NASA ; le NIRSpec, fourni par l’Agence spatiale européenne (ESA) ; et le MIRI, fourni par la NASA et l’ESA] », relate René Doyon, chercheur principal et coordinateur de l’ensemble de la contribution canadienne au télescope.

C’est ainsi qu’en novembre 2001, la chercheuse principale de l’instrument NIRCam, l’astronome de l’Université de l’Arizona Marcia J. Rieke, sollicite la collaboration de René Doyon en raison de son expertise en astronomie infrarouge acquise à l’Observatoire du Mont-Mégantic, qui fut pionnier dans ce domaine, pour concevoir un module de l’instrument censé comprendre des filtres ajustables qui permettraient d’étudier les toutes premières galaxies apparues dans l’Univers.

Mais un an plus tard, alors qu’on choisit de réduire la taille du télescope à 6,5 mètres, la NASA décide, pour simplifier les procédures, que l’instrument NIRCam ne serait mis au point que par des Américains, éliminant du coup la contribution canadienne.

« Il n’y a rien de simple »

« On était déçus ! Mais avec mon collègue John Hutchings, du Conseil national de recherches du Canada (CNRC), qui était le chercheur principal du système de guidage FGS, on s’est dit que rien ne nous empêchait de mettre les filtres ajustables dans le dos du FGS et ainsi d’en faire un instrument contenant les deux technologies. C’est ce qu’on a proposé à l’ASC, qui a accepté, et là est né l’instrument canadien qui s’appelait à l’époque “TFI” pour “tunable filter imager” », raconte M. Doyon.

« Cet élément optique présentait toutefois beaucoup de défis techniques. Des problèmes ont surgi au moment des tests de vibrations et de chocs et nous ont fait douter de la capacité de ce filtre ajustable à résister au lancement. L’ASC nous a alors demandé de considérer une reconfiguration de l’instrument », poursuit-il.

En 2009, Hutchings et Doyon reconfigurent donc leur instrument de façon à le rendre plus robuste. « Les modifications étaient relativement mineures, mais quand on parle de technologies spatiales, il n’y a rien de simple », précise l’astronome.

Le nouvel instrument a ensuite été proposé au Webb Science Working Group, le comité scientifique du projet James Webb, qui l’a finalement accepté le 9 juin 2011. La NASA demandait seulement que l’instrument lui soit livré au plus tard le 31 juillet 2012. « Ce fut une année assez intense, mais on y est arrivés [avec l’aide précieuse des ingénieurs de la société Honeywell]. Et l’instrument qu’on a maintenant [dénommé “NIRISS” pour “near-infrared imager and slitless spectrograph”] est probablement beaucoup plus puissant que celui qu’on avait conçu au départ », souligne M. Doyon.

L’instrument est actuellement à bord du télescope aux côtés de trois autres. Il contient donc sur une face le détecteur de guidage de précision (FGS), qui est une caméra grâce à laquelle le télescope peut pointer une cible avec une très grande précision. Le FGS permettra de corriger les mouvements (notamment les vibrations) du télescope. Pour ce faire, il « mesurera très précisément la position de l’étoile visée 16 fois par seconde, et un petit miroir à l’intérieur du télescope basculera de façon à corriger ses mouvements. Cet instrument sera en mesure de détecter un mouvement angulaire du télescope équivalent à l’épaisseur d’un cheveu vu à un kilomètre. Cela permettra d’obtenir des images stables et d’une grande précision », explique M. Doyon.

Recherche de vie

Sur l’autre face de l’instrument, qui a la taille d’un lave-vaisselle, se trouve un imageur et spectrographe dans le proche infrarouge sans fente, soit le NIRISS. Il s’agit d’« une caméra infrarouge visant principalement à faire de la spectroscopie, laquelle permet de disperser la lumière et ainsi d’obtenir de l’information sur la vitesse des objets observés et leur composition chimique. Cet instrument offrira trois modes d’observation différents », précise l’astronome.

Un premier mode permettra notamment d’observer des étoiles brillantes dotées d’un système planétaire dont les planètes « transitent », c’est-à-dire passent, devant leur étoile. « Quand une planète passe devant son étoile, on peut facilement détecter une baisse de luminosité de l’étoile, ce qui permet de mesurer le rayon de la planète. Et en fonction des longueurs d’onde qui seront détectées, on saura si cette planète possède une atmosphère », fait remarquer le chercheur.

Plus particulièrement, on mesurera le spectre de l’étoile avant le passage de la planète ainsi que pendant son passage, et en comparant les deux spectres, on obtiendra un spectre résiduel qui sera celui de l’atmosphère de la planète. Cette technique permet de déterminer la composition chimique de l’atmosphère des exoplanètes. « Le plus gros du spectre que l’on mesure vient de l’étoile elle-même, mais on cherche la partie qui est filtrée par le petit anneau qui entoure la planète. Cet anneau est l’atmosphère de la planète. En faisant la spectroscopie durant le transit, on arrive à pouvoir mesurer la signature spectrale de toutes les molécules présentes dans l’atmosphère de cette planète, dont notamment celle de l’eau, du CO2 et du méthane, et ça, c’est un pas important vers la recherche de vie ailleurs dans l’Univers », souligne M. Doyon.

Galaxies lointaines

Le deuxième mode d’observation du NIRISS sera utilisé pour scruter les confins de l’Univers. On cherchera à détecter les premières galaxies qui se sont allumées quelques centaines de millions d’années après le big bang. L’instrument y parviendra grâce à la technique de spectroscopie sans fente. « Lorsque l’on veut obtenir un spectre, on isole généralement la lumière de l’objet que l’on veut analyser à l’aide d’une petite fente qui permet d’éviter une contamination du signal par la brillance du ciel environnant », explique M. Doyon.

L’instrument NIRSpec (near-infrared spectrograph) qui est à bord du télescope est équipé d’une fente permettant l’observation de jusqu’à une centaine d’objets à la fois. « Mais pour savoir où pointer et mettre la fente, on doit d’abord prendre des images. L’avantage d’un instrument sans fente comme le NIRISS est que ça nous permet de prendre un spectre de tout ce qui se trouve dans notre champ de vision, nous n’avons pas besoin de choisir où viser, et c’est préférable dans un premier temps, car on ne sait pas trop où une galaxie va apparaître. En prenant un spectre sans fente, on a ainsi plus de chances de pouvoir détecter des galaxies très lointaines », fait savoir M. Doyon. Et quand on aura dépisté ces galaxies avec le NIRISS, on aura ensuite recours au NIRSpec, qui permettra de les étudier plus en détail, car les spectres obtenus avec le NIRSpec sont plus sensibles et de meilleure qualité.

Les cinq amas de galaxies que les chercheurs canadiens prévoient d’observer avec le NIRISS sont susceptibles d’agir comme de gigantesques lentilles gravitationnelles qui leur feront détecter des galaxies très lointaines, car « ces amas de galaxies contiennent de la matière sombre qui défléchit la lumière, comme nous l’a appris Einstein. Ainsi, s’il y a une galaxie très loin, en arrière-plan de l’amas de galaxies, sa lumière sera amplifiée par ce dernier, et apparaîtra alors dans notre champ de vision », explique M. Doyon.

Des planètes difficiles à observer

Le troisième mode d’observation du NIRISS consiste en l’insertion dans le faisceau de l’instrument d’un petit masque qui bloquera la lumière de 11 des 18 segments hexagonaux du miroir du télescope et qui retiendra la lumière de seulement 7 d’entre eux, ce qui permettra de détecter par interférométrie des exoplanètes gravitant tout près de leur étoile.

Plus de 4500 exoplanètes ont été découvertes jusqu’à présent, et la vaste majorité sont des planètes qui sont tout près de leur étoile. « Prendre des images de ces planètes est très difficile, aucun télescope terrestre, ni même Hubble n’a jamais réussi à les voir, car elles se trouvent dans ce qu’on appelle l’angle mort des télescopes, souligne l’astronome. Le mode d’observation du NIRISS appelé AMI [pour “aperture masking interferometry”, interférométrie de masquage d’ouverture] nous permettra d’aller sonder des régions très proches de l’étoile, où nous détecterons peut-être de nouvelles exoplanètes », fait-il remarquer.

Ce troisième mode permettra aussi d’observer des étoiles relativement près de nous, de même que des étoiles jeunes.

En échange de cette importante contribution du Canada au télescope James Webb, les chercheurs canadiens auront droit à 450 heures d’observation qu’ils pourront utiliser à leur guise durant les deux premières années de la mise en fonction du télescope, ce qui est un très grand privilège, car l’accès à ce télescope spatial sera grandement convoité par tous les chercheurs du monde.

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