JWST-MIRI
James Web Space Telescope, Mid Infra-Red Instrument
JWST-MIRI

Le miroir du JWST est segmenté en 18 pétales qui seront déployés dans l'espace une fois parvenu à sa destination au point de Lagrange L2, à 1.5 millions de km de la Terre dans la direction opposée au Soleil. Un écran de la taille d'un court de tennis protège le télescope de la lumière solaire.

Objectif du projet: Le JWST (James Web Space Telescope) sera le successeur du HST (Hubble Space Telescope) à l'horizon 2018. Pour observer plus loin que le HST, il fallait un telescope spatial de grande taille, travaillant dans l'infrarouge; c'est le JWST, télescope de 6.5m, observant dans la gamme de longueurs d'onde 1-27 microns.

Le JWST sera équipé de 3 instruments :

  • une caméra dans l'infrarouge proche (1-5 microns de longueur d'onde) ;
  • un spectrometre dans l'infrarouge proche ;
  • et un instrument, comprenant une caméra et un spectromètre, dans l'infrarouge moyen (5-27 microns), l'instrument Miri.

Le JWST est un projet Nasa avec participation de l'Europe (ESA, plus agences nationales pour Miri) à hauteur de 20% environ.
L'instrument Miri se situe dans la droite ligne de l'activité infrarouge du département d'astrophysique (Isocam, Visir) et nous avons participé aux pré-études de l'instrument dès 1999.
L'instrument Miri combinera l'avantage d'Isocam, instrument dans l'espace et donc possédant une très bonne sensibilité, et de Visir, instrument sur un grand télescope et donc possédant une très bonne résolution angulaire (limitée par la diffraction du télescope).


Les grandes thématiques abordées par Miri seront:

  • la formation et évolution des galaxies, avec la recherche de "La première lumière (étoile) de l’Univers »!, de l’histoire de la croissance en masse des galaxies...,
  • la formation des étoiles, avec la physique des phénomènes d’accrétion/jet lors des premières phases de la formation des étoiles.
  • la formation et l'évolution des systèmes planétaires, avec la détection et l'étude des disques « Type Kuiper » autour des étoiles proches (< 10 pc),l’imagerie d'exoplanètes géantes.

Le JWST est un observatoire; il y aura donc bien d'autres thématiques abordées. Compte tenu du fort gain en sensibilité qu'apporte un instrument comme Miri, le potentiel de découvertes est important.

Localisation

Le JWST est un satellite qui sera localisé au point de Lagrange L2. (Il existe deux endroits, un entre la terre et le soleil (L1), et l'autre derrière la terre (L2)le long d'un axe formé par la terre et le soleil où l'on peut placer un satellite en équilibre gravitationnel en faisant un tour autour du soleil par an; ces 2 endroits sont les points de Lagrange L1 et L2)

Collaboration

Miri fait l'objet d'une collaboration Europe/US sur la base d'un partenariat 50-50.

La participation européenne est un consortium de 10 pays :

  • Royaume-Uni, France, Belgique, Pays-Bas, Allemagne, Espagne, Suisse, Suède, Danemark, Irlande (par ordre d'importance décroissante des contributions financières).

C'est le Royaume Uni qui conduit le consortium européen.


Au niveau français,

  • 4 laboratoires spatiaux sont impliqués : l'Irfu, le Lesia de l'Observatoire de Paris-Meudon, l'IAS d'Orsay et la LAM de Marseille.

C'est le l'Irfu/DAp qui a la responsabilité (scientifique et technique) de la partie française de l'instrument vis à vis du consortium européen. Le CEA travaille en partenariat avec le Cnes, 50-50 en coût consolidé. Le Cnes est responsable de la partie française vis à vis de l'ESA.

 

Approche scientifique

Moyens d'investigation

Miri est destiné à des observations dans l'infrarouge thermique, longueur d'onde de 5 à 27 microns. Pour prendre en compte les demandes scientifiques, 4 modes d'observations sont requis :

  • imagerie avec un champ de vue par pixel de 0.11 seconde d'arc, un champ de vue > à 2 minutes d'arc carré et la possibilité de choisir parmi 12 filtres,
  • coronographie avec un champ de vue par pixel de 0.11 seconde d'arc et un champ total de 15x15 arcsec carré.
  • spectroscopie à basse résolution (résolution spectrale de 100)
  • spectroscopie en "champ intégral" sur un champ de 3x3 arcsec2 avec une résolution spectrale d'environ 1500.


Instruments

Pour prendre en compte les différents modes d'observations requis, Miri est constitué de 2 sous-instruments : un imageur et un spectromètre à "champ intégral". Le banc opto-mécanique de l'imageur est à la charge de la France.
L'imageur abrite 3 modes d'observation : imagerie, coronographie, spectroscopie basse résolution.
La conception optique de l'imageur est similaire à celle de Visir.
La coronographie est obtenue à partir de masques de phase dans le plan focal et dans le plan pupillaire.
La spectroscopie basse résolution (R=100) par fente est obtenue en insérant un prisme dans le plan pupillaire.
Pour ces 3 modes d’observations, 1 seule roue est nécessaire (le mécanisme de cette roue est fourni par les allemands.
Le matériel pour le banc optique et les miroirs est de l’aluminium.

Les détecteurs (matrices de 1024x1024 pixels en Silicium doppé Arsenic fabriqué par Raytheon)), ainsi que l'électronique associée, sont à la charge de la Nasa (JPL).

Spécificités

Toutes les spécificités d'un instrument spatial (fiabilité, environnement...),plus le mode coronographique.
Le mode coronographique est un mode qui permet d’« éteindre » une étoile afin de sonder ses alentours proches (et ainsi tester la présence de planètes, de compagnons, de disques de poussière…).
Dans MIRI, nous utilisons une technique innovante conçue par le Lesia: la coronographie par masque de phase. Le principe consiste à mettre la tache de diffraction d’une étoile donnée par le télescope, au centre d’un lame à 4 quadrants ; 2 des quatre quadrants ont une différence d’épaisseur calculée de telle façon que la lumière passant par ces quadrants est déphasée de pi par rapport à la lumière passant par les 2 autres quadrants. La lumière sortant de la lame interfére de façon destructive.
La différence d’épaisseurs doit répondre à des tolérances assez strictes (marche d’une profondeur du micron avec une précision de +/-2%, largeur de la transition > 5 microns). Après une recherche dans l’industrie, c’est finalement le Drecam/SPEC qui semble le mieux placé pour répondre aux besoins.

 

Contribution de l'Irfu

Responsabilités scientifiques et techniques L'Irfu/DAp est responsable scientifique et technique de la partie française de MIRI et coordonne l'activité des 4 laboratoires spatiaux impliqués dans le projet (Irfu, Lesia de l'observatoire de Paris, IAS Orsay, LAM Marseille)
Les taches à la charge du Dapnia sont les suivantes:
- management global de la partie française du projet ;
- conception optique ;
- conception et réalisation de la structure mécanique ;
- conception et réalisation de la roue à filtres ;
- spécifications des miroirs (fabriqués en Belgique) ;
- conception et réalisation du système de détection en infra-rouge moyen pour les tests de caractérisation de l’imageur à 7K au CEA ;
- responsabilité système du simulateur de télescope ;
- assemblage, Intégration et Tests de l’instrument et des moyens de tests associés ;
- suivi des performances scientifiques au Royaume-Uni et en Vol ;
- mise en place d’un centre d’expertise instrumental et traitement des données au niveau français, voire européen ;
- exploitation scientifique des données.

 

Etats et perspectives

Dates importantes

1999 - 2000 Pré-études
2001 - 2002 Etudes de phase A (faisabilité) du module optique
Juin 2002 Réaffirmation de la priorité du JWST par l’ESA
Mai 2003 Début de la phase B (études détaillées)
Février 2004 Acceptation définitive du projet par le Cnes
Sept. 2004 PDR (Preliminary Design Review)
Octobre 2005 CDR (Critical Design Review)
Fin2003:  Phase B (études détaillée de l'instrument)
2005 – 2007 Réalisation, intégration et tests en France du modèle de vol
2008 Intégration et tests de l'instrument complet en Angleterre
2009 Livraison aux USA
Août 2011 Lancement du JWST
2011-2016 Phase E (opérations scientifiques)
2016-2018 Phase post-opératoire



Perspectives La participation à la réalisation de l'instrument Miri nous permettra de bien connaitre l'instrument et de bénéficier de temps garanti d'observation (900 heures par instrument). Nous occuperons ainsi une place privilégiée pour tirer profit scientifiquement de cet équipement phare de l'astrophysique des années 2018+, qui, compte tenu du large gain en sensibilité qu'il apportera (deux ordres de grandeur), a un fort potentiel de découvertes, avec notamment la possibilité de permettre la première image en infrarouge thermique d'une exo-planète géante.
Par ailleurs, ce projet nous permettra de garder notre compétence technique dans le domaine de l'infrarouge moyen, domaine qui continuera à être un domaine important de l'astronomie, avec notamment les projets de détection d'exoplanète Terre, comme Darwin.

Bilan scientifique et technique Au départ, le JWST ne couvrait que la gamme en longueur d'onde de l'infrarouge proche. Il a fallu une forte argumentation scientifique, à laquelle nous avons contribué de façon importante, pour conduire la Nasa à considérer à Miri comme l'un des 3 instruments prioritaires du JWST. En ce qui concerne les modes d'observations de Miri, nous avons défendu scientifiquement et obtenu la présence du mode coronographique. Ce mode permet "d'éteindre" une étoile pour pouvoir sonder son environnement proche et rechercher notamment la présence d'exoplanètes géantes.
Sur le plan technique, la phase A a montré la faisabilité de l'instrument. Nous avons réussi à concevoir un instrument simple (1 seul mécanisme), qui posséde les 3 modes d'observations requis scientifiquement (imagerie, coronographie, spectroscopie basse résolution). C'est notamment grâce à l'expérience acquise avec l'instrument Visir (voir fiche Visir), que nous avons pu atteindre l'objectif de simplicité sans dégrader les performances scientifiques.
 



Contact

Pierre-olivier LAGAGE

 

Maj : 10/08/2017 (2302)

 

Retour en haut