Contexte

Concentré d’innovation technologique et d’ambition scientifique, le télescope spatial Webb permet de franchir un nouveau cap dans la compréhension de l’Univers. Un programme exceptionnel piloté par la NASA, dans lequel la France a pris toute sa part.

Webb observe dans le domaine de l’infrarouge avec pour objectifs principaux de :  - détecter la lumière des premières étoiles et galaxies apparues après le Big Bang, 

• étudier la formation et l’évolution des galaxies, des étoiles et des systèmes planétaires
• caractériser l’atmosphère des exoplanètes connues. 

Succédant au télescope spatial Hubble, le télescope spatial James Webb est le plus grand et le plus puissant télescope jamais lancé dans l’espace. Conçu pour répondre aux questions les plus essentielles sur l’Univers, il promet des découvertes révolutionnaires dans tous les domaines de l’astrophysique ainsi que de nouvelles images des objets célestes lointains à couper le souffle.

Webb est équipé de quatre instruments de pointe, dont MIRI (Mid-InfraRed Instrument), développé sous la responsabilité de l’ESA et des agences spatiales nationales par un consortium de laboratoires européens, en collaboration avec le JPL (Jet Propulsion Laboratory) en Californie.

À bord, l’imageur français MIRIM (MIRI iMager), développé par le CEA avec des équipes du CNRS (IAS, LESIA et LAM) et de ses partenaires, sous la responsabilité du CNES.

MIRI est le seul instrument à aller au-delà de 5 micromètres, ce qui le rend capable d’étudier :

• l’émission d'hydrogène et la recherche des premiers objets lumineux,
• la formation et l’évolution des premières galaxies dans l'univers (distantes de plus de 12 milliards d’années-lumière),
• l’émission des éléments sombres dans les Noyaux Galactiques Actifs,
• la formation des étoiles et systèmes proto-planétaires,
• l’évolution des systèmes planétaires, la taille des objets de la Ceinture de Kuiper et les comètes faiblement lumineuses,
• l’observation des naines brunes et des planètes géantes,
• la recherche des conditions favorables à l'apparition de la vie.

NIRCam a pour but de :

• détecter la lumière des premières étoiles, des amas d'étoiles ou des noyaux galactiques,
• étudier les galaxies très lointaines vues au cours de leur formation,
• détecter la distorsion de la lumière due à la matière noire,
• rechercher les supernovae dans les galaxies lointaines,
• étudier la population stellaire dans les galaxies proches, les étoiles jeunes dans la Voie Lactée et les objets de la Ceinture de Kuiper dans notre Système Solaire.

NIRSpec a une sensibilité dans une gamme de longueurs d'ondes qui correspond aux radiations des plus lointaines galaxies et est capable d'observer plus de 100 objets simultanément. Les objectifs scientifiques clés de cet instrument sont :

• l’étude de la formation des étoiles et des abondances chimiques des galaxies lointaines jeunes,
• la recherche des structures dans les disques de gaz dans les Noyaux Galactiques Actifs (galaxies très lumineuses et énergétiques, observables aux longueurs d'ondes allant des ondes radio aux rayons X),
• l’étude de la distribution des masses des étoiles dans les amas d'étoiles jeunes.

Déroulé du projet

Le 25 décembre 2021 Ariane 5 a parfaitement réussi sa mission et mis en orbite le télescope spatial James Webb de la NASA. Le successeur de Hubble, a décollé depuis le port spatial européen de Kourou grâce aux équipes de l’ESA, du CNES, d’Arianespace et d’ArianeGroup. La campagne de préparation du lancement a eu lieu sur le site et a duré 55 jours.

Ariane 5 a placé Webb sur une trajectoire qui l’a emmené directement vers sa destination finale : le second point de Lagrange (L2), une orbite située à 1,5 millions de km de la Terre, que le télescope a atteint 29 jours après son lancement. Intégralement déployé dès son arrivée à L2, il a allumé et testé   l’ensemble de ses 4 instruments avant d’être opérationnel le 12 juillet 2022.

Après le lancement, Webb est passé par une période de recette en vol de 6 mois au cours de laquelle ont été testés tous les sous-systèmes et expériences scientifiques à bord et tous les moyens sol avant de déclarer le télescope opérationnel. MIRI a été le dernier instrument déployé parce qu’en opérant dans l’infrarouge, il a dû refroidir 6 mois pour fonctionner à la température la plus basse du télescope, 7 K. La phase nominale doit durer 5 ans et pourrait être prolongée jusqu’à 10 ans.

Organisation

Grâce à son expertise unique au monde dans le domaine de l’infrarouge moyen, le consortium Miri a confié le développement de l’imageur Mirim à la France. En effet, le CEA a acquis une expertise étendue dans ce domaine avec la réalisation d’Isocam, installé sur le satellite Iso, ou de l’instrument Visir du VLT au Chili.

Mirim a été développé entre 2004 et 2009 sous la responsabilité du CNES, signataire de l'accord MIRI avec l'ESA.
La contribution française est donc assurée par les quatre entités suivantes :

• le CNES, maître d’ouvrage, assure la gestion globale, contrôle et adapte les ressources humaines et le budget français en fonction de l'avancement des développements et des plannings au niveau de Webb, de MIRI et de MIRIM. En cas de difficultés techniques sur des sujets spécifiques, le CNES apporte aussi l’aide de ses experts internes.
• le CEA, maître d’œuvre de Mirim, a joué un rôle majeur. Le CEA a ainsi conçu l’instrument, réalisé la structure mécanique et la roue à filtre, puis assemblé et testé l’instrument. Il est aussi en charge du suivi de ses performances scientifiques et a pu – fait unique en Europe – participer aux tests des détecteurs aux États-Unis. Il a aussi coordonné l’implication de tous les partenaires, dont les quatre partenaires français.
• le LESIA (Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique, Observatoire de Paris-PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris) a développé un nouveau système de coronographe de type « quatre quadrants ». Cette technologie est envoyée pour la première fois dans l’espace grâce à Webb.
• le LAM (Laboratoire d’astrophysique de Marseille, Aix-Marseille Université/CNRS) a réalisé les tests mécaniques des différents sous-systèmes. Ces tests sont particulièrement importants pour s’assurer que l’instrument résiste aux vibrations subies au décollage.

En plus des contributions françaises directes, le banc optique de l'imageur MIRI s'interface avec d'autres équipements internes développés par des laboratoires étrangers :

• le cryo-mécanisme de la roue porte-filtres (MPIA Heidelberg, Allemagne),
• les miroirs et prismes optiques (CSL, Belgique),
• les filtres (Observatoire de Stockholm, Suède),

Et un équipement externe : le module détecteur (JPL, USA).

Comme pour le Télescope Spatial Hubble, le Flight Dynamics Facility est situé au Goddard Space Flight Center tandis que le Centre d'Opération Scientifique est hébergé par le Space Telescope Science Institute à Baltimore sur la côte Est américaine. Un centre d'expertise en Europe pour MIRI et un en France pour MIRIM (MICE) participent à l'amélioration des performances durant la totalité de la mission.