O telescópio espacial James Webb explicado por aqueles que o fizeram

Desta vez, aí está! O Telescópio Espacial James Webb, ou "Webb", está em Kourou e será lançado por um foguete Ariane em 22 de dezembro. Sim, está mais de 10 anos atrás das primeiras estimativas! Sim, seu custo foi multiplicado por 10! Mas a colheita científica promete ser excepcional.

O Webb possibilitará sondar áreas do cosmos intocadas por observações, graças ao seu espelho de 6,5 metros de diâmetro, o maior já implantado no espaço, e aos seus quatro instrumentos de observação no infravermelho: Câmera NIR, NIRISS, NIRSpec e MIRI (as consonâncias em "IR" vêm do "infravermelho").

Webb, a missão principal da NASA e das agências espaciais europeias (ESA) e canadenses (CSA), assumirá o lugar do telescópio espacial Hubble para observar mais no Universo. A velocidade da luz exige, ele parecerá assim mais cedo na história, até os momentos em que as primeiras galáxias e as primeiras estrelas foram formadas. Mas também retransmitirá o Telescópio espacial infravermelho Spitzer ir e sondar a atmosfera de exoplanetas, estrelas e sistemas planetários em formação, a evolução das galáxias ...

Em suma, todas as áreas da astrofísica se beneficiarão com isso.

Estamos entre mais de 1 cientistas de 200 países que contribuíram para o desenvolvimento do JWST. Na França, participamos principalmente no desenvolvimento do instrumento MIRI, o único dos quatro instrumentos que opera no campo do chamado infravermelho “térmico”. Observando comprimentos de onda entre 14 e 5 micrômetros, ele será mais capaz de observar gás e poeira em objetos muito mais frios do que estrelas como o nosso sol. Será, por exemplo, possível ver estrelas jovens ainda profundamente enterradas na nuvem de gás e poeira em que se formaram. O MIRI também será o complemento essencial do NIRCam para identificar as primeiras galáxias do Universo.

O épico do telescópio Webb

Inicialmente, estava longe de ser certo que um instrumento infravermelho térmico fosse parte do conjunto de instrumentos JWST (chamado de “telescópio espacial de última geração” na época). A NASA e a ESA tinham de ser convencidas da importância científica e da viabilidade de tal instrumento. Um de nós (Pierre-Olivier Lagage) fazia parte do pequeno grupo de astrofísicos que fez campanha na Europa e nos EUA por tal instrumento.

Isso foi ... no final dos anos 90. O lançamento do Telescópio Webb foi então planejado para 2007. Mas o lançamento do Webb foi adiado muitas vezes e a epopeia do instrumento MIRI de fato ilustra bem as razões para esses atrasos sucessivos. .

O Webb estará em órbita a 1,5 milhão de quilômetros da Terra, 4 vezes a distância Terra-Lua. Não será possível ir repará-lo em caso de problema, como foi feito para o Hubble, que orbita "apenas" 570 quilómetros da Terra: quando o Hubble é colocado em funcionamento, a qualidade das imagens diminui. Foi muito decepcionante, mas a instalação pelos astronautas de um corretor óptico permitiu restaurar a qualidade de imagem esperada.

Para Webb, não podemos cometer erros - daí a importância do design e dos testes de pré-lançamento!

MIRI, um instrumento de ponta para exoplanetas

MIRI é composto por duas partes principais: um "imageador", que permite tirar fotos (esta é a parte chamada "MIRIM", e um espectrômetro, que permite estudar a luz recebida em função do comprimento de onda - e assim, por exemplo, determinar quais elementos químicos estão presentes no objeto que observamos (este é o "SRA") O desempenho desses instrumentos colocados no foco do maior telescópio espacial em operação será sem precedentes.

Em certo sentido, para o estudo dos exoplanetas, os atrasos no lançamento do Webb são uma boa notícia. Na verdade, este campo explodiu nas últimas décadas e atualmente temos uma grande quantidade de exoplanetas para observar, incluindo planetas rochosos, que não eram conhecidos em 2007.

Agora estudamos muito exoplanetas pelo método do chamado "trânsito": examinamos as pequenas variações na luminosidade de uma estrela distante devido à passagem de um exoplaneta que a circundaria. Portanto, o MIRI foi “aprimorado” para usar esse método de trânsito. Trata-se de ler apenas uma pequena parte do detector, para o fazer muito rapidamente sem saturar o detector. Basicamente, “sequestramos” o objetivo principal do Webb, projetado para observar objetos fracos ou muito distantes, para tirar proveito de sua grande sensibilidade.

O MIRI também possui "coronógrafos". Usados ​​historicamente para observar a coroa do Sol enquanto esconde o disco muito brilhante que impede ver os detalhes ao redor, os coronógrafos foram adaptados para observar as estrelas e, assim, distinguir possíveis exoplanetas que estariam próximos. MIRI carrega um coronógrafo clássico (chamado "de Lyot") e três coronógrafos "Máscara de fase", muito eficiente, e que será enviado ao espaço pela primeira vez.

Do berço para decolar

Após vários anos de estudos preliminares, foi em 2004 que a contribuição francesa para o MIRI foi aprovada pelo CNES, CEA e CNRS.

O modelo de voo do imageador MIRIM foi montado e testado no CEA Paris-Saclay em 2008 e 2009; Uma bancada de teste que permite reproduzir as condições de vácuo e frio que MIRIM encontrará uma vez no espaço foi especialmente desenvolvida para a ocasião. Em 2010, MIRIM foi enviado para Laboratório Rutherford Appleton na Inglaterra, para ser emparelhado com a outra parte do MIRI, o espectrômetro MRS, e então testado em uma câmara de vácuo grande o suficiente para o instrumento completo.

Em 2012, MIRI foi enviado para Centro Espacial Goddard da NASA, perto de Washington, onde foi emparelhado com os três outros instrumentos JWST. Três séries de testes criogênicos ocorreram entre 2012 e 2016.

Os 18 hexágonos do espelho primário do telescópio também foram montados em Centro Espacial Goddard de novembro de 2015 a fevereiro de 2016. Os instrumentos foram montados na parte de trás do espelho primário do telescópio e a montagem foi enviada em 2017 para Houston para teste, como estação de teste em Centro Espacial Goddard não era grande o suficiente para acomodar o telescópio. A equipe CEA estava no local para testes quando o furacão Harvey atingiu. Mais medo do que dano; apenas algumas noites no laboratório sem poder voltar ao hotel e um carro completamente afogado!

Terminados os testes, “largamos” o MIRI para a sua ida às instalações da empresa Northrop Grumman, na Califórnia, onde chegou no início de 2018. Lá, o telescópio foi acoplado ao satélite e aos grandes ecrãs térmicos que vão evitar que os raios do Sol, da Terra e da Lua atinjam o telescópio. Isso pode então atingir passivamente uma temperatura de cerca de 45K (-228 ℃), necessária para não interferir nas observações infravermelhas.

Finalmente, no final de setembro de 2021, Webb deixou a Califórnia com destino a Kourou, onde chegou após uma viagem de barco de 16 dias que o levou pelo Canal do Panamá (bloqueado alguns meses antes!).

Pronto para decolar ... e para começar os testes científicos e observações

A aventura espacial começará então em 22 de dezembro de 2021, com a série de testes do céu que durarão 6 meses. Então, no final de junho de 2022, é a exploração científica que poderá começar, após três décadas de desenvolvimento.

Uma pequena parte do tempo de observação é reservada para astrofísicos que participaram do desenvolvimento instrumental. Dentro desta estrutura, coordenamos as observações que serão dedicadas aos exoplanetas, à Supernova 1987a e a duas regiões fotodominadas.

A maior parte do tempo de observação será "aberto": a cada ano, durante os 5 a 10 anos de vida de Webb, estão programadas várias chamadas para o uso de Webb. A primeira chamada ocorreu em 2020. Mais de 1000 inscrições foram feitas, envolvendo mais de 4000 astrofísicos em todo o mundo. O número de horas de observação solicitadas é muito maior (4 a 5 vezes) do que o número de horas disponíveis e a seleção foi feita por comitês de cientistas. É gratificante ver que o MIRI é o segundo instrumento mais solicitado. Fizemos bem em insistir para que ele "subisse a bordo" do Webb!

MIRI é um instrumento co-desenvolvido por um consórcio de laboratórios espaciais europeus, que lidou com os aspectos opto-mecânicos, montagem e testes gerais do instrumento, e o centro JPL da NASA, que forneceu os conjuntos de detectores e o sistema de resfriamento para MIRI.

Pierre-Olivier Lagage, Pesquisador do CEA no Laboratório de Astrofísica, instrumentação, modelagem do CEA, CNRS, Universidade de Paris; Alan Abergel, Professor Paris-Saclay University, Astrofísico do IAS, Universidade Paris-Saclay; Antonio Boccaletti, Diretor de Pesquisa do CNRS no LESIA, Observatório Paris-PSL, CNRS, Universidade de Paris; Christophe Cossou, Engenheiro CEA, desenvolvedor do instrumento JWST / MIRI do Laboratório de Astrofísica, instrumentação, modelagem do CEA / CNRS, Universidade de Paris; dan dicken, Cientista do Projeto, Universidade Paris-Saclay et Patrice Bouchet, Gerente de Projeto do Centro de Especialização MIRI / JWST, Departamento de Astrofísica, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternativas (CEA)

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