Pour l’astrophysicienne Sylvie Vauclair : "James Webb dépasse toutes les attentes !"

L’astrophysicienne française Sylvie Vauclair, professeure émérite à l’Université de Toulouse, nous livre son analyse éclairée sur la moisson d’images exceptionnelles envoyées et collectées par le plus puissant télescope au monde.  

Publié le
Lundi 3 Octobre 2022
La première image de qualité scientifique publiée par le télescope spatial James Webb de la NASA, révélée le 11 juillet 2022, est la vue infrarouge la plus profonde de l'univers à ce jour. (Crédit image : NASA, ESA, CSA et STScI)
La première image de qualité scientifique publiée par le télescope spatial James Webb de la NASA, révélée le 11 juillet 2022, est la vue infrarouge la plus profonde de l'univers à ce jour. (Crédit image : NASA, ESA, CSA et STScI)

 

Que nous apprennent les images de JWST diffusées par la NASA depuis le mois de juillet ? 

 

Sylvie Vauclair
Astrophysicienne

Sylvie Vauclair
Astrophysicienne

Les images dévoilées par le Télescope Spatial James Webb (JWST) sont époustouflantes, même pour les astrophysiciens professionnels qui avaient de bonnes raisons d’en attendre des résultats exceptionnels. Mais le JWST, comme on dit dans certains questionnaires, « dépasse les attentes » ! Tout a fonctionné plus-que-parfaitement dans la mise en orbite et le déploiement des diverses parties du télescope, y compris son bouclier thermique et ses protections. C’est un immense succès. Il n’est pas anodin de rappeler ici que le lancement de ce superbe instrument, développé par la NASA pendant de longues années, avec la participation de l'Agence spatiale européenne (ESA) et de l'Agence spatiale canadienne (ASC), a été effectué par un lanceur français Ariane 5, depuis la base de Kourou, en Guyane française. Une belle responsabilité pour les scientifiques français qui ont confirmé leurs capacités dans le domaine spatial avec ce lancement sans faille. 

Contrairement au télescope spatial Hubble (HST), qui tourne autour de la Terre à une altitude d’environ 600 km, le JWST tourne autour du Soleil en même temps que la Terre, à 1,5 millions de km de notre planète. C’est-à-dire que la Terre se trouve toujours entre le Soleil et lui. Ce point particulier dans l’espace s’appelle point de Lagrange L2. En fait, le JWST décrit une sorte de courbe en forme de huit autour du point L2, pour des raisons un peu complexes de stabilité spatiale.  

Les gens qui regardent une photo du JWST pour la première fois sont en général surpris par sa forme. La plupart des télescopes connus du public ressemblent à des tubes. Au fond du tube, se trouve un « miroir primaire », qui a une forme parabolique et qui concentre les rayonnements venus de l’espace sur un deuxième miroir, dit « secondaire ». C’est là que peuvent se faire les observations, sauf qu’en général les rayonnements reçus par le miroir secondaire sont renvoyés à un autre endroit par un système d’autres miroirs, vers un oculaire si on regarde directement, ou vers des instruments analyseurs de la lumière si on fait des analyses scientifiques. Le tube sert uniquement à la protection de l’instrument, en évitant en particulier les lumières parasites. Le JWST comprend tout cela, sauf le tube dont il n’a pas besoin dans l’espace. En revanche, il a besoin d’une forte protection contre les rayonnements solaires, le fameux « bouclier » qui donne l’impression d’un sorcier sur son tapis volant ! 

Alors depuis cet endroit spatial particulier, avec un miroir primaire de 6,5 m (contre 2,4 m pour le HST), le JWST nous envoie des images d’une extraordinaire résolution, avec énormément de détails. C’est de là que vient la plus grande surprise. On découvre la structure intime d’objets célestes connus, pas forcément semblable à ce que les simulations numériques laissaient imaginer. Alors oui, par-delà la beauté des images reçues, le JWST apporte un monceau d’informations aux astronomes professionnels, qui ont devant eux de nombreuses années de travaux à accomplir pour mieux comprendre l’Univers auquel nous appartenons… 

Quel apport par rapport à celles du mythique Hubble? 

Grâce à son emplacement dans l’espace, ainsi qu’à la dimension et la structure particulière de son miroir primaire, le JWST peut acquérir des images semblables à celles du HST en un temps beaucoup plus court. Le fameux « champ profond » du HST (Hubble Deep Field), qui a fait vibrer tant de monde, chercheurs et public, en montrant des milliers de galaxies très lointaines observées dans une même direction du ciel, a nécessité de nombreux jours de pose, alors qu’une image semblable est obtenue par le JWST en quelques heures. 

Une autre très importante différence entre le JWST et le HST, absolument fondamentale pour l’étude de l’univers lointain en particulier, est qu’ils n’observent pas le rayonnement des objets célestes dans les mêmes longueurs d’onde, même si leurs intervalles d’observation se recoupent. Alors que le HST observe la lumière visible des astres, ainsi que l’ultraviolet et la partie de l’infrarouge la plus proche du visible, le JWST centre ses observations sur l’infrarouge, avec un peu de lumière visible, mais pas d’ultraviolet. Son miroir primaire est d’ailleurs constitué de 18 éléments hexagonaux en béryllium, très résistant aux très grands froids, recouverts d’une fine couche d’or, métal choisi pour son grand pouvoir de réflexion dans l’infrarouge. 

Les astrophysiciens attendent beaucoup des observations lointaines dans l’infrarouge. En effet, l’Univers est en expansion, c’est-à-dire que les galaxies s’éloignent de nous, d’autant plus vite qu’elles sont loin, et cet éloignement se manifeste par un décalage vers le rouge et l’infrarouge de la lumière qu’elles émettent. Donc plus on observe loin dans l’infrarouge, mieux on distingue les galaxies très lointaines. Et comme on voit ces galaxies dans le passé, à l’époque où la lumière les a quittées pour venir jusqu’à nous, ces observations infrarouges nous conduisent vers la vision directe des premières galaxies ayant existé dans l’Univers. 

Il y a aussi bien d’autres raisons d’attendre de nouvelles découvertes grâce à l’observation en infrarouge. La naissance des systèmes planétaires, par exemple, se fait dans un cocon de gaz et de poussières qui cache la lumière visible mais laisse passer l’infrarouge… 

Quelles sont les images de JWST qui vous ont le plus surprises ?

La première image du JWST, dévoilée le 11 juillet 2022 au public par Joe Biden, est absolument fabuleuse. On y distingue des galaxies très lointaines, et surtout, dans toute sa beauté, le phénomène connu d’arcs gravitationnels (arcs d’Einstein).  Ces figures lumineuses sont des visions déformées en forme d’arcs de cercle d’autres galaxies situées bien au-delà de celles visibles directement dans l’image. Les rayons qui nous parviennent de ces galaxies hyper lointaines sont en effet déviés par la matière qu’ils rencontrent sur leur trajet, d’où la déformation des images. 

D’autres images du JWST m’ont particulièrement impressionnée, celles très détaillées de la matière interstellaire, et aussi celle de la Galaxie de la Roue de Charrette, entourée d’un anneau brillant de très jeunes étoiles, formées au cours de collisions avec d’autres galaxies encore visibles à proximité.  

Mais le plus étonnant pour moi a été l’image très précise des régions centrales de la galaxie Messier 74 (NGC 628) aussi connue sous le nom de « galaxie fantôme » (Phantom galaxy). Elle apparaît comme une sorte de toile partout trouée de formes circulaires. Attention, il ne faut pas s’y tromper, en réalité ce ne sont pas des trous, ce sont des grands nuages denses, qui apparaissent en sombre dans la galaxie en raison justement de leur densité !

Quand et comment vont se développer les analyses et les interprétations scientifiques de ces images? 

Les rayonnements recueillis par le JWST sont déjà analysés sur place par quatre instruments situés derrière le miroir : la caméra NIRCam, le spectrographe NIRSpec et le spectro-imageur NIRISS fonctionnant dans le proche infrarouge, et le spectro-imageur MIRI fonctionnant dans le moyen infrarouge. Il n’y a donc pas uniquement des caméras fournissant des images, mais aussi des spectrographes transmettant des analyses spectrales des rayonnements, traités en fonction de la longueur d’onde. 

Les analyses et interprétations de ces données ont commencé immédiatement. Il faut dire que les astrophysiciens du monde entier s’y préparaient depuis de nombreuses années. Des centaines de projets avaient été soumis, dans des domaines aussi divers que les exoplanètes, les galaxies, le milieu intergalactique, les grandes structures dans l’Univers, le système solaire, la physique stellaire, le milieu interstellaire, les trous noirs… La commission internationale des programmes en a retenu plus de 200 pour la première année.  

Quelques équipes internationales privilégiées, distinguées pour leur implication particulière dans le JWST, ont été admises à travailler dès la mise en service du télescope, dans un cadre « précoce ». L’une de ces équipes, spécialisée dans l’étude de la formation des systèmes planétaires, en particulier au sein de la nébuleuse d’Orion, est coordonnée par l’astrophysicien toulousain Olivier Berné. Ce chercheur français a donc été l’un des premiers scientifiques au monde à accéder aux images du JWST ! 

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