James Web Space Telescope
Objectif du projet
Le JWST (James Web Space Telescope), lancé le 25 décembre 2021 a pour objectif d'être le successeur du HST (Hubble Space Telescope). Pour observer plus loin que le HST, il fallait un telescope spatial de grande taille et travaillant dans l'infrarouge. C'est le cas du JWST qui est composé d'un télescope de 6,5m de diamètre et de 4 instruments, observant dans la gamme de longueurs d'onde 1-27 microns :
- une caméra dans l'infrarouge proche (1-5 microns de longueur d'onde), l'instrument NIRCam ;
- un spectrometre dans l'infrarouge proche, l'instrument NIRSpec ;
- un imageur et spectrographe sans fente dans le proche infrarouge, l'instrument NIRISS ;
- 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 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 15×15 arcsec carré.
- spectroscopie à basse résolution (résolution spectrale de 100)
- spectroscopie en « champ intégral » sur un champ de 3×3 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 1024×1024 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 de l'Irfu 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.
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