MIRI : SA DESCENTE ACCELEREE VERS LE GRAND FROID ! (actualité à jour jusqu’au 19 avril 2022)

La température est essentiellement une mesure de la vitesse à laquelle les atomes se déplacent, et en plus de détecter leur propre lumière infrarouge, les détecteurs du JWST peuvent réagir à leurs propres vibrations thermiques. MIRI détecte la lumière dans une plage d’énergie inférieure à celle des trois autres instruments. Par conséquent, ses détecteurs sont encore plus sensibles aux vibrations thermiques. Ces signaux indésirables sont ce que les astronomes appellent le « bruit », qui peuvent rendre invisibles les faibles signaux que le JWST essaie de détecter.

Nous avons déjà vu qu’après le lancement, l’observatoire a déplié un pare-soleil de la taille d’un court de tennis pour bloquer MIRI et les autres instruments de la chaleur du soleil, leur permettant de se refroidir passivement. Il était prévu qu’environ 77 jours après le lancement, le Cryo refroidisseur de MIRI devait entrer en fonction pour faire baisser la température des détecteurs à moins de 7 kelvins (- 266 °C). Cette phase vient de démarrer et devrait durer environ 19 jours.

Courbes reproduisant les calculs théoriques de prédiction de l’évolution des températures, à comparer avec le graphique des températures mesurées, mis à jour quotidiennement par nos soins sur la page d’accueil du site (et partiellement reproduit sur l’image suivante). Crédit: NASA, JPL

« Il est relativement facile de refroidir quelque chose à cette température sur Terre, généralement pour des applications scientifiques ou industrielles, mais ces systèmes terrestres sont très volumineux et inefficaces sur le plan énergétique. Pour un observatoire spatial, nous avons besoin d’un refroidisseur qui est physiquement compact, très éco-énergétique, et il doit être très fiable parce que nous ne pouvons pas aller le réparer. Voilà donc les défis que nous avons dû relever, et à cet égard, je dirais que le cryo refroidisseur de MIRI est certainement à la fine pointe de la technologie » a déclaré Konstantin Penanen, spécialiste des cryo refroidisseurs au Jet Propulsion Laboratory de la NASA (JPL, Pasadena, dans le sud de la Californie), qui gère l’instrument MIRI pour la NASA.

Le cryo refroidisseur de MIRI utilise de l’hélium gazeux – suffisamment pour remplir environ neuf ballons de foire. Deux compresseurs à alimentation électrique pompent l’hélium à travers un tube qui s’étend jusqu’à l’emplacement des détecteurs. Le tube passe à travers un bloc de métal qui est également attaché aux détecteurs; l’hélium refroidi absorbe l’excès de chaleur du bloc de métal, qui à son tour maintient les détecteurs à leur température de fonctionnement en dessous de 7 kelvins. Le gaz réchauffé (mais encore assez froid) retourne ensuite dans les compresseurs, où il décharge l’excès de chaleur, et le cycle recommence. Fondamentalement, le système est similaire à ceux utilisés dans les réfrigérateurs et les climatiseurs domestiques.

L’ensemble compresseur de cryorefroidissement. Cette photo montre le cryorefroidisseur de vol installé « à l’envers » dans une chambre à vide pour essai, avant qu’elle ne soit fermée. Image : NASA/JPL-Caltech

Le tube qui transporte l’hélium est fait d’acier inoxydable doré et mesure moins de 2,5 millimètres de diamètre. Il s’étend sur environ 10 mètres à partir des compresseurs, situés dans une région appelée le bus de vaisseau spatial, jusqu’aux détecteurs de MIRI, situés dans l’élément de télescope optique (OTE), derrière le miroir primaire du télescope. La tour déployable, ou ATD, relie ces deux régions (voir l’actualité du 30 décembre 2021).

Pour mémoire, rappelons qu’en regardant à travers des nuages de poussière encore plus épais que les instruments qui observent dans l’infrarouge proche peuvent traverser, MIRI révélera les lieux de naissance des étoiles. Il détectera également les molécules qui sont communes sur Terre – comme l’eau, le dioxyde de carbone et le méthane, et celles des minéraux rocheux comme les silicates – dans des environnements froids autour des étoiles voisines, où des planètes peuvent se former. Les instruments dans le proche infrarouge détectent mieux ces molécules sous forme de vapeur dans des environnements beaucoup plus chauds, tandis que MIRI peut les voir sous forme de glaces.

D’autre part, l’un des grands objectifs scientifiques du JWST sera d’étudier les propriétés de la première génération d’étoiles qui se sont formées dans l’univers. La caméra infrarouge proche, l’instrument de NIRCam, sera en mesure de détecter ces objets extrêmement éloignés, mais ce sera le rôle de MIRI d’aider les scientifiques à confirmer que ces faibles sources de lumière sont des amas d’étoiles de première génération, plutôt que des étoiles de seconde génération qui se forment plus tard lors de l’évolution de la galaxie à laquelle elles appartiennent.



Température des instruments mise à jour le 19 avril 2022 à 10 h. La température de fonctionnement optimal de MIRI est au niveau attendu et maintenant stable.  Un très léger retard par rapport à la planification, de légers ajustements ayant été rendus nécessaires, pour s’assurer du bon fonctionnement de tous les systèmes, et les premières images (pour calibrations) sont attendues sous peu. Il reste que c’est une réussite fantastique qui nous laisse augurer du meilleur.

Les instruments qui observeront dans l’infrarouge proche (NIRCam, NIRSpec, FGS-NIRISS) avaient déjà atteint leur cible de 34 à 39 kelvins en se refroidissant passivement depuis plusieurs semaines. MIRI est équipé de détecteurs qui doivent être à une température de moins de 7 kelvins pour pouvoir détecter des photons de longueur d’onde plus longue. Il n’était pas possible d’atteindre cette température par des moyens passifs seuls, d’où la nécessité d’un  cryorefroidisseur innovant décrit plus haut. A noter que pour gérer le processus de refroidissement, MIRI disposait également de « radiateurs » à bord, afin de protéger ses composants sensibles contre le risque de formation de glace.

Attention, bien que le nom puisse porter à confusion, il s’agit de dissipateurs de rayonnement thermique. En fait des « Radiateurs à l’envers » (Françoise Plenat). Ces systèmes ont parfaitement fonctionné, et ces « radiateurs » ont été complètement éteints le 6 avril, pour amener l’instrument à sa température de fonctionnement de moins de 7 kelvins (-266 degrés Celsius). Tout s’est déroulé parfaitement, et les premières images du Ciel vu à travers MIRI ne devraient pas tarder à arriver.


Un nouveau radiotélescope géant pour communiquer avec les missions dans l’espace lointain

Dans le cadre d’un projet en cours visant à accroître la capacité du DSN (Deep Space Network, qui est le réseau spatial pour les communications à de grandes distances), qui agit comme une sorte de standard interplanétaire, la nouvelle antenne est la 14ème du réseau de la NASA qui permettra aux ingénieurs et aux scientifiques de communiquer depuis la Terre avec le nombre croissant de vaisseaux spatiaux explorant notre système solaire et l’univers lointain, comme le JWST par exemple!

L’antenne DSS-53 de la NASA est entrée en service en février 2022 à l’installation de Madrid du Deep Space Network. L’ajout s’inscrit dans le cadre des efforts déployés par l’organisme pour accroître la capacité du réseau, qui appuie environ 40 missions et qui devrait en soutenir 40 autres qui seront lancées au cours des prochaines années. (Crédits : NASA/JPL-Caltech)

Appelée Deep Space Station 53, ou DSS-53, cette nouvelle antenne de 34 mètres de diamètre est maintenant opérationnelle dans les installations du réseau à l’extérieur de Madrid, l’une des trois stations terrestres de ce genre dans le monde. La station de Madrid est gérée pour le compte de la NASA par l’Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (Institut national de technologie aérospatiale) d’Espagne. Pour marquer les débuts de l’antenne, le roi d’Espagne Felipe VI a assisté à la cérémonie d’inauguration le 16 mars aux côtés de responsables de la NASA et de dignitaires espagnols et américains.

Des responsables de la NASA et des dignitaires espagnols et américains flanquent le roi Felipe VI d’Espagne à l’inauguration de l’antenne DSS-53 du DSN. Kathy Lueders, administratrice associée de la Direction des opérations spatiales, et Badri Younes, administratrice adjointe associée de SCaN, ont dirigé la délégation de la NASA.
(Source : NASA)

« La NASA est honorée et fière que le roi reconnaisse cette étape importante en se joignant à nous à la station de Madrid. Son inauguration de l’antenne 53 du Réseau Spatial lointain met en évidence la collaboration critique et historique entre le Royaume d’Espagne et les États-Unis qui, grâce à ce Réseau, continuera à permettre à l’humanité d’explorer les cieux pendant de nombreuses années »  a déclaré Badri A. Younes, administrateur délégué adjoint pour les communications et la navigation spatiales (SCaN) au siège de la NASA à Washington.

Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud (JPL, Pasadena) pour SCaN, le DSN permet aux missions de suivre, d’envoyer des commandes et de recevoir des données scientifiques de vaisseaux lointains, dont le JWST. Maintenant, avec 14 antennes opérationnelles, le réseau soutient environ 40 missions et devrait en soutenir 40 autres qui seront lancées dans les années à venir.

Avec autant de missions à soutenir actuellement et à l’avenir, la NASA a commencé un projet d’expansion du DSN il y a plus d’une décennie. DSS-53 est la quatrième des six nouvelles antennes de guidage que l’agence ajoute au réseau. Lorsque le projet sera terminé, chaque station au sol – Madrid, ainsi qu’une station à Canberra, en Australie, et l’installation de Goldstone près de Barstow, en Californie – disposera d’un total de quatre antennes de ce type. Les trois stations au sol du DSN sont réparties presque uniformément autour du globe, de sorte que le réseau ne perd jamais de vue les missions lorsque la Terre tourne.

Ensemble, les nouvelles antennes peuvent servir de support ou d’appui aux antennes de 70 mètres de diamètre qui sont sur chaque site. Elles signifient également une capacité accrue à recevoir des informations sur Terre – comme celles provenant du JWST, mais aussi, par exemple, comme des images de la mystérieuse Psyché que la mission du même nom acquerra, ou des données de la prochaine mission Europa Clipper révélant si la lune glacée de Jupiter a la capacité de supporter la vie telle que nous la connaissons.

D’après le communiqué de presse de la NASA 2022-034 publié le 16 mars, 2022

Gaia prend une photo du JWST autour de L2

Pierre Angulaire de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), Gaia est un ambitieux projet d’étude de notre Galaxie. Le satellite a été lancé depuis Kourou, par une fusée Soyouz-Fregat le 19 décembre 2013 et devrait continuer sa mission au moins jusqu’à la fin 2022. Sa vocation première est le recensement de plus d’un milliard d’étoiles de la Voie Lactée et la mesure de leurs positions, distances, mouvements et propriétés physiques avec une précision inégalée. En combinant données astrométriques, photométriques et spectroscopiques, Gaia apporte une moisson inédite d’informations sur notre Galaxie permettant ainsi une étude détaillée de sa structure en trois dimensions, de sa cinématique, de son origine et de son évolution. Gaia recense et mesure également un très grand nombre de naines brunes, de planètes extrasolaires, d’astéroïdes, en particulier des géocroiseurs, de supernovae et de galaxies, et apporte une contribution majeure à la détermination de l’échelle des distances extragalactiques ainsi qu’à la physique fondamentale (pour plus de détails et d’informations sur Gaia voir le site de l’observatoire de Paris).

Pourquoi mentionner Gaia sur le site du JWST ? Tout simplement parce que ce satellite nous en a récemment fourni la première « image ».  Scientifiquement parlant, cela n’a guère d’intérêt, mais cette image prouve (s’il fallait éviter les « fake News» !) que le JWST non seulement est réel, mais il est bien là où on l’attend !

Revenons à la source : quelques semaines avant l’arrivée du JWST autour de L2, deux experts de Gaia (Uli Bastian de l’Université de Heidelberg (Allemagne) et François Mignard de l’Observatoire de Nice (France)) réalisèrent que pendant le balayage continu du ciel par Gaia, son nouveau voisin à L2 devrait occasionnellement traverser les champs de vision de Gaia.

Trajectoire du JWST (en bleu) croisant celle de Gaia (en jaune). Crédit ESA

Gaia n’est pas conçu pour prendre de vraies photos d’objets célestes. Au lieu de cela, il recueille des mesures très précises de leurs positions, mouvements, distances et couleurs. Cependant, une partie des instruments à bord prend une sorte d’image du ciel. C’est le « finder scope » de Gaia, aussi appelé le mappeur du ciel (anglicisme reconnu par notre Académie, dérivé de « mapper » c.à.d. établir une carte mémoire, une correspondance entre deux objets) : toutes les six heures, ce cartographe du ciel balaye une étroite bande de 360 degrés autour de toute la sphère céleste. Les bandes successives sont légèrement inclinées les unes par rapport aux autres, de sorte que tous les quelques mois le ciel entier est couvert – touchant tout ce qui est assez brillant pour être vu par Gaia. En quelques secondes, ces coupes sont automatiquement scrutées à la recherche d’images d’étoiles, dont les positions sont ensuite utilisées pour prédire quand et où ces étoiles pourraient être enregistrées dans les principaux instruments scientifiques de Gaia. Ensuite, ils sont systématiquement supprimés.

Mais l’ordinateur peut être commandé pour garder exceptionnellement une partie des données de l’image. Le mappeur de ciel a été initialement prévu à des fins d’entretien technique, mais au cours de la mission, il a également trouvé quelques utilisations scientifiques. Pourquoi, se sont demandé Uli Bastian et François Mignard ne pas l’utiliser pour un instantané du JWST ?

Après que le JWST ait atteint sa destination autour de L2, ils ont calculé quand la première occasion se présenterait pour Gaia de le repérer, qui s’est avéré être le 18 février 2022. A cette date, les deux véhicules spatiaux étaient distants d’un million de kilomètres, avec une vue de Gaia vers l’énorme pare-soleil du JWST. Très peu de lumière réfléchie du soleil vint sur le chemin de Gaïa, et le JWST apparaît donc comme une minuscule tache de lumière dans les deux télescopes de Gaïa, bien évidemment sans aucun détail visible.

Après que les deux télescopes de Gaia aient balayé la partie du ciel où le JWST serait visible, les données brutes ont été téléchargées sur Terre. Le lendemain matin, François a envoyé un courriel à toutes les personnes concernées. L’objet enthousiaste du courriel était « JWST : on l’a eu ! »

Image du JWST prise par Gaia (regarder le zoom!)(Credit : ESA). 

Les deux astronomes ont dû attendre encore quelques jours pour que Juanma Martin-Fleitas, l’ingénieur chargé de l’étalonnage de Gaia à l’ESA, identifie le JWST : « J’ai identifié notre cible » était le message envoyé par lui, avec les images jointes et les deux minuscules taches étiquetées comme « candidats JWST ». Ce à quoi Uli a répondu, après les avoir attentivement examiné : « Vos » candidats » peuvent être renommés JWST en toute sécurité.   

Gaia a maintenant un ami vaisseau spatial autour de L2, et vont ensemble découvrir notre Voie Lactée et l’Univers au-delà.

Une animation illustrant cette amusante expérience peut être vue ici.

Bien que le but de cette image était de se concentrer sur l’étoile brillante du centre pour évaluer l’alignement du télescope, les systèmes optiques du JWST et de NIRCam sont si sensibles que l’on peut voir les galaxies et les étoiles en arrière-plan. À ce stade de l’alignement des miroirs de Webb, connu sous le nom de "phase fine", chacun des segments du miroir primaire a été ajusté pour produire une image unifiée de la même étoile en utilisant uniquement l’instrument NIRCam. Cette image de l’étoile, appelée 2MASS J17554042+6551277, utilise un filtre rouge pour optimiser le contraste visuel. Credits : NASA/STScI

Une nouvelle étape de franchie : l’optique du JWST fonctionne avec succès

C’est une nouvelle fabuleuse! Les étapes critiques d’alignement des miroirs, montrent que les performances optiques du JWST peuvent atteindre, voire dépasser, les objectifs scientifiques pour lesquels l’observatoire a été construit. Comme le confie Pierre-Olivier Lagage, responsable scientifique pour la France et co-Principal Investigateur de MIRI:

« Nous pouvons maintenant y croire! Il y avait deux étapes importantes dans cette aventure: le lancement et l’alignement des segments et de l’optique en général. Tout s’est merveilleusement déroulé, et nous savons maintenant que la moisson scientifique va être exceptionnelle, au-delà même de nos espérances! »

En effet, le 11 mars, la première étape de l’alignement fin des 18 segments qui composent le miroir primaire s’est terminée. C’était une étape clé pour la mise en service du télescope : chaque paramètre optique a été consciencieusement examiné et testé et l’ensemble fonctionne selon, voire au-dessus des attentes. Aucun problème critique n’a été détecté, que ce soit en matière de contamination mesurable ou d’un éventuel blocage dans le trajet optique. L’observatoire sera en mesure de recueillir avec succès la lumière des objets distants et de l’envoyer aux instruments sans aucun problème.

Bien que le but de cette image était de se concentrer sur l’étoile brillante du centre pour évaluer l’alignement du télescope, les systèmes optiques du JWST et de NIRCam sont si sensibles que l’on peut voir les galaxies et les étoiles en arrière-plan. À ce stade de l’alignement des miroirs de Webb, connu sous le nom de "phase fine", chacun des segments du miroir primaire a été ajusté pour produire une image unifiée de la même étoile en utilisant uniquement l’instrument NIRCam. Cette image de l’étoile, appelée 2MASS J17554042+6551277, utilise un filtre rouge pour optimiser le contraste visuel. Credits : NASA/STScI
Ce nouveau « selfie » a été créé à l’aide d’une lentille d’imagerie pupillaire spéciale à l’intérieur de l’instrument de NIRCam qui a été conçue pour prendre des images des segments du miroir primaire plutôt que des images du ciel. Cette configuration n’est pas utilisée pendant les opérations scientifiques et est utilisée strictement à des fins d’ingénierie et d’alignement. Dans cette image, tous les 18 segments de miroir primaire de Webb sont montrés collectant ensemble la lumière de la même étoile. Crédits : NASA/STScI

Bien que le but de cette image était de se concentrer sur l’étoile brillante du centre pour évaluer l’alignement du télescope, les systèmes optiques du JWST et de NIRCam sont si sensibles que l’on peut voir les galaxies et les étoiles en arrière-plan. À ce stade de l’alignement des miroirs de Webb, connu sous le nom de « phase fine », chacun des segments du miroir primaire a été ajusté pour produire une image unifiée de la même étoile en utilisant uniquement l’instrument NIRCam. Cette image de l’étoile, appelée 2MASS J17554042+6551277, utilise un filtre rouge pour optimiser le contraste visuel.

Credits : NASA/STScI

« Il y a plus de 20 ans, l’équipe du JWST a entrepris de construire le télescope le plus puissant que personne n’ait jamais mis dans l’espace et a élaboré une conception optique audacieuse pour atteindre des objectifs scientifiques exigeants », a déclaré Thomas Zurbuchen. administrateur associé de la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington. « Aujourd’hui, nous pouvons dire que cette conception était la bonne et donnera des résultats fantastiques. »

Bien que le JWST soit à quelques mois de pouvoir enfin présenter sa nouvelle vision du cosmos, atteindre cette étape signifie que l’équipe est confiante que le système optique du télescope, le premier de son genre, fonctionne le mieux possible.

« En plus de permettre l’incroyable science que le JWST réalisera, les équipes qui ont conçu, construit, testé, lancé et qui vont maintenant exploiter cet observatoire ont mis au point une nouvelle façon de construire des télescopes spatiaux. » a déclaré Lee Feinberg, Responsable principal de l’élément optique du JWST (OTE) au Centre des Vols Spatiaux Goddard de la NASA (GSFC) à Greenbelt (Maryland).

Le fait que phase de l’alignement fin du télescope soit terminée signifie aussi que l’imageur principal du JWST dans l’infrarouge proche, la caméra NIRCam, est maintenant parfaitement alignée avec les miroirs du télescope.

« Nous avons entièrement aligné et focalisé le télescope sur une étoile, et la performance dépasse les spécifications. Nous sommes enthousiasmés par ce que cela signifie pour la science « , a déclaré Ritva Keski-Kuha, responsable adjointe de l’élément optique du télescope (OTE) au Centre Goddard de la NASA Goddard. « Nous savons maintenant que nous avons construit le bon télescope. »

Ce nouveau « selfie » a été créé à l’aide d’une lentille d’imagerie pupillaire spéciale à l’intérieur de l’instrument de NIRCam qui a été conçue pour prendre des images des segments du miroir primaire plutôt que des images du ciel. Cette configuration n’est pas utilisée pendant les opérations scientifiques et est utilisée strictement à des fins d’ingénierie et d’alignement. Dans cette image, tous les 18 segments de miroir primaire de Webb sont montrés collectant ensemble la lumière de la même étoile. Crédits : NASA/STScI

Ce nouveau « selfie » a été créé à l’aide d’une lentille d’imagerie pupillaire spéciale à l’intérieur de l’instrument de NIRCam qui a été conçue pour prendre des images des segments du miroir primaire plutôt que des images du ciel. Cette configuration n’est pas utilisée pendant les opérations scientifiques et est utilisée strictement à des fins d’ingénierie et d’alignement. Dans cette image, tous les 18 segments de miroir primaire du JWST sont montrés collectant ensemble la lumière de la même étoile. La tache diffuse autour du centre du miroir correspond à cette collection..

Crédits : NASA/STScI

Au cours des six prochaines semaines, les ingénieurs procéderont aux étapes d’alignement restantes avant la préparation finale des instruments scientifiques. Il faut maintenant aligner davantage le télescope pour inclure le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec), l’instrument qui observera dans l’infrarouge thermique (MIRI), l’imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente Canadien (NIRISS). Au cours de cette phase du processus, un algorithme évaluera les performances de chaque instrument, puis calculera les corrections finales nécessaires pour obtenir un télescope bien aligné sur tous les instruments scientifiques. Ensuite, l’étape finale d’alignement du JWST commencera, qui consistera à ajuster toute petite erreur de positionnement résiduelle dans les segments de miroir.

L’équipe est sur la bonne voie pour conclure tous les aspects de l’alignement du télescope optique d’ici début mai, voire avant, avant de passer pour environ deux mois, à la préparation des instruments scientifiques. Les premières images et données scientifiques en pleine résolution du JWST seront publiées cet été.

(D’après le communiqué de Presse 22-024 de la NASA en date du 16 mars 2022)

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