Ce que le télescope spatial Webb nous montrera ensuite

L’astrophysicienne Jane Rigby parle de la beauté de l’espace, de la possibilité de vie sur d’autres planètes et de la façon dont Webb voit les parties cachées de l’univers. Mais aussi peut-être de l’accident que nous représentons… On se perd dans ce dédale pourtant lumineux… j’aimerais bien que ces gens décidés à en découdre me fichent un peu la paix, pour que je puisse partager avec vous ce qui m’intéresse réellement le vaste monde et sa manière de se transformer avec chaque fois des solutions originales au rythme accéléré de la connaissance scientifique et de son admirable bricolage… par rapport à cette ouverture, cette aventure, le monde politicien français m’apparait de plus en plus clos sur lui même, inculte, timoré et nombriliste… Einstein prétendait que l’astrophysique comme la musique était ce qui l’éloignait le plus des deux propensions humaines à la catastrophe imbécile, celle du quotidien (les querelles de clocher, la famille, les ragots) et celle des pouvoirs (les guerres). Au nom de quelle urgence, celui qui comme moi a ce rêve en partage accepte-t-il la censure, les insultes de médiocres terrorisés devant leur propre liberté. Ce mouvement de recul que j’éprouve, parfois la nausée, est d’autant plus légitime que paradoxalement je commence à être rassurée : les damnés de la terre sont désormais de plus en plus en état de se défendre eux-mêmes, ils n’ont pas besoin d’intercesseurs dans les pays impérialistes… c’est nous qui allons avoir besoin d’indulgence… (note et traduction de Danielle Bleitrach pour histoire et société)

L’astrophysicienne Jane Rigby parle de la beauté de l’espace, de la possibilité de vie sur d’autres planètes et de la façon dont Webb voit les parties cachées de l’univers.

Par David W. Brown6 août 2023

Une image publiée à l’occasion du premier anniversaire du début des opérations scientifiques du télescope spatial James Webb, en juillet, montre la naissance d’une étoile dans le complexe nuageux de Rho Ophiuchi, la région de formation d’étoiles la plus proche de la Terre.Photographie avec l’aimable autorisation de NASA / ESA / CSA

Depuis que l’Agence spatiale européenne a lancé le télescope spatial James Webb de la nasa depuis la Guyane française, le jour de Noël 2021, le télescope a plané dans l’espace à environ un million de kilomètres de la Terre. Au cours de son voyage, le J.W.S.T. s’est déplié comme un morceau d’origami, libérant un réseau de panneaux solaires, une antenne puissante, un nid d’abeille de miroirs dorés et un pare-soleil qui ressemble à un ensemble de voiles argentées. Les scientifiques ont ensuite passé plus de trois mois à aligner ses miroirs avec une précision nanométrique. Environ un an après que le télescope ait publié ses premières images, Jane Rigby, la scientifique de la nasa travaillant sur le projet, m’a dit qu’il avait « fonctionné non seulement mieux que les exigences, mais encore mieux que nous aurions pu le rêver ». Récemment, le Webb a aidé à montrer que les galaxies des premiers milliards d’années de l’univers étaient plus actives qu’on ne le pensait auparavant, formant beaucoup d’étoiles dans de grands sursauts. « Il y avait des prédictions, mais c’était terra incognita, au-delà de la falaise de ce que Hubble pouvait faire, et les attentes étaient partout », m’a dit Rigby. « Là où nous avions de l’ignorance, nous avons maintenant de belles données. » Récemment, pour célébrer la première année d’exploitation scientifique du télescope, l’équipe Webb a publié une image anniversaire d’étoiles nées dans le complexe nuageux de Rho Ophiuchi, la pépinière stellaire la plus proche de la Terre.

Les premiers télescopes étaient constitués de deux morceaux de verre arrondi dans un tube. Galilée a découvert les lunes de Jupiter, et a ainsi montré que la Terre n’était pas le centre de l’univers, avec un télescope qui pouvait grossir vingt fois. Six décennies plus tard, Isaac Newton a achevé avec succès le premier télescope à réflexion, en utilisant un miroir concave qui concentrait la lumière beaucoup plus efficacement. Au fil des siècles, les télescopes se sont suffisamment développés et améliorés pour repérer des objets célestes de plus en plus faibles et lointains. Le Webb représente l’aboutissement de cette progression. Il est cent fois plus puissant que le télescope spatial Hubble et voit la lumière infrarouge invisible à l’œil humain. (La lumière tombe sur un spectre allant des longueurs d’onde plus longues aux longueurs d’onde plus courtes: infrarouge, rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet, ultraviolet.) Il a été conçu, en partie, pour recueillir la lumière qui a voyagé vers la Terre depuis peu de temps après le Big Bang. Lorsque les astronomes pointent son miroir vers les bords de l’espace, il voit l’univers tel qu’il était il y a treize milliards d’années, près de l’aube des temps.

Rigby travaille au Goddard Space Flight Center de la nasa, à Greenbelt, Maryland, et fait partie de l’équipe du télescope spatial James Webb depuis 2010, en tant qu’astrophysicien et, depuis juin, en tant que scientifique principal du projet J.W.S.T. Nous avons parlé par chat vidéo pendant sa pause déjeuner; Pendant que je lui posais des questions, elle a plongé une fourchette dans un Tupperware qu’elle avait apporté de chez elle, puis a mâché pensivement en réfléchissant à ses réponses. Elle est une conteuse animée, ponctuant souvent ses propos de gestes de la main et de petits ajustements à ses lunettes noires à monture de corne. Je l’ai interrogée sur la conception particulière du télescope, la façon dont l’astronomie façonne notre vie quotidienne et les lacunes dans les connaissances humaines que le Webb a déjà commencé à combler. Notre conversation a été reproduite et condensée.

Lorsque le télescope spatial Hubble a été lancé, nous avons vite appris que ses images étaient floues. Les ingénieurs ont dû construire l’équivalent de lunettes pour cela. Y a-t-il eu de tels problèmes avec J.W.S.T. dès le début, compte tenu de son déploiement très compliqué ?

En raison de la façon dont cela fonctionnait, lorsque Hubble est monté dans l’espace, l’optique devait être parfaite. Pour J.W.S.T., nous avons lancé des miroirs capables de se fixer eux-mêmes. Il y a dix-huit segments de miroir primaires – ces beaux hexagones dorés – et l’idée est de les concevoir pour qu’ils soient corrigibles dans l’espace. Vous les déplacez simplement jusqu’à ce qu’ils soient aux bons endroits. Lorsque J.W.S.T. s’est déployé pour la première fois, à travers ce long processus itératif d’observation des étoiles brillantes, nous avons fait fonctionner tous ces miroirs ensemble comme un chœur – où, au début, chacun est dans sa propre tonalité, sa propre chanson, son propre genre, faisant son propre truc. Et, à la fin, ils sont coordonnés, chantant dans une harmonie serrée et à plusieurs voix.

Le vrai problème avec J.W.S.T. était que nous avions besoin d’un télescope plus grand que les fusées. La fusée sur laquelle nous avons lancé mesure un peu plus de cinq mètres de diamètre. Mais rien que la partie télescope de J.W.S.T. mesure 6,6 mètres de diamètre (et puis il y a tout ce pare-soleil en dessous qui a la taille d’un court de tennis). Une façon de surmonter la limite de taille, qui est un défi fondamental pour les télescopes spatiaux, est de les faire plier. Six des segments de miroir primaires ont été repliés derrière le reste des miroirs pour le lancement. Puis ils se sont déroulés sur des charnières. Cela a donc conduit à une conception où nous n’avions pas besoin de les aligner parfaitement sur le sol.

Si la taille n’est qu’un défi pour les télescopes spatiaux, quel est selon vous le plus grand ?

Oh, mon Dieu. Je pense qu’à l’heure actuelle, le plus grand défi, c’est juste le temps. Le télescope est environ cent fois plus puissant que tout ce que nous avons eu auparavant. Dans le même temps d’observation, il peut voir des choses cent fois plus faibles que ce que nous pourrions voir avec Hubble ou avec le télescope spatial Spitzer. C’est donc cette bête puissante et, au cours de la première année d’opérations scientifiques, nous avons environ cinq cents programmes d’observation différents – au total, des milliers de personnes du monde entier – qui utilisent ce télescope.

Dans une journée donnée, nous observerons un quasar, qui est un trou noir en accrétion qui est aussi loin que nous pouvons voir, puis, quelques heures plus tard, nous irons observer un astéroïde dans notre propre système solaire. Ensuite, nous pourrions aller observer une galaxie proche. Nous avons un calendrier, et nous faisons des observations qui ont été choisies par concours par la communauté scientifique comme étant les plus convaincantes. Et nous faisons observation après observation, puis nous diffusons ces données dans le monde. L’ingrédient de la découverte est juste le temps.

Quelles sont les principales questions auxquelles J.W.S.T. doit répondre pour que cette mission soit considérée comme un succès ?

Eh bien, cela vaut la peine de prendre un moment pour revenir un peu en arrière. Hubble a été lancé en 1990, et il y avait trois questions clés auxquelles il a entrepris de répondre. L’une était : Quel âge a l’univers ? Ce qui est vraiment une mesure de la vitesse à laquelle l’univers est en expansion. Nous savons maintenant que ce n’était pas la question la plus excitante à poser. En mesurant cette expansion de l’univers, les astronomes ont compris que l’expansion de l’univers s’accélère. C’était la découverte inattendue.

La seconde était : Que sont les quasars et quelle est leur relation avec les galaxies ? Eh bien, grâce à des travaux avec de nombreux télescopes, y compris Hubble, nous savons maintenant que les quasars sont des trous noirs supermassifs d’un million à un milliard de masses solaires dans le cœur des galaxies qui alimentent – c’est-à-dire qu’ils se nourrissent de gaz, et même détruisent les étoiles – et, ce faisant, brillent aussi brillant ou plus brillant que leurs galaxies parentes. Nous savons que chaque galaxie a un tel trou noir dans son cœur, mais que la plupart d’entre eux sont endormis. Une petite fraction d’entre eux, cependant, sont allumés et font le plein. Nous ne comprenons pas vraiment comment les trous noirs et leurs galaxies mères évoluent ensemble. Nous avons la preuve que l’un contrôle l’autre, mais nous ne savons pas comment.

Troisièmement, Hubble a également été construit pour étudier le gaz entre les galaxies. Et nous comprenons maintenant que les galaxies sont constamment alimentées par ce réseau de gaz qui relie les galaxies entre elles – comme, cette structure couvrant le vide avec une belle sorte de géométrie filamentaire. Et nous savons que la façon dont les galaxies sont connectées à ce réseau détermine comment elles sont capables de se nourrir et de se développer. C’est amusant de repenser à plus de trente ans en arrière et de réaliser à quel point nous comprenions si peu il y a trente ans et à quel point nous avons progressé.

Qu’en est-il de J.W.S.T. ?

Pour J.W.S.T., les questions que nous savions que nous allions poser étaient : À quoi ressemblait le premier milliard d’années ? Comment les galaxies ont-elles commencé? D’après les données dont nous disposons jusqu’à présent, nous allons faire un excellent travail sur cette question. Nous trouvons des galaxies plus loin que nous ne le pensions. Nous remontons dans le temps à environ trois cents millions d’années après le Big Bang. Le pitch d’ascenseur que nous avons utilisé lorsque J.W.S.T. a été vendu était que nous verrons les images de bébé de l’univers. Et nous le ferons certainement.

J.W.S.T. a également été construit pour étudier les atmosphères des planètes en orbite autour d’autres étoiles. C’est l’autre cas scientifique très médiatisé. Et c’est ce que nous faisons, mais nous ne sommes pas encore allés assez loin au cours de notre première année d’observations scientifiques.

Quelles lacunes scientifiques les capacités uniques du J.W.S.T. comblent-elles?

J.W.S.T. travaille dans l’infrarouge. Il a été conçu pour voir la lumière de l’univers qui est totalement invisible pour Hubble, qui voit principalement dans l’optique et l’ultraviolet. À propos de la lumière « la plus bleue » que J.W.S.T. peut voir, c’est l’ombre du vin rouge, puis elle devient plus rouge à partir de là.

En raison du Big Bang, l’espace s’étend – pas seulement des choses dans l’espace, mais le tissu de l’espace lui-même. Et la lumière que nous voyons à partir d’objets lointains a également été étirée par l’expansion de l’univers. Cela fait que la lumière de ces objets éloignés s’étire à des longueurs d’onde plus longues. Il se déplace vers le rouge, pour abaisser les énergies.

C’est vraiment cool que nous puissions voir presque jusqu’au bout de l’univers, non? Nous pouvons le faire parce que cette lumière ne voyage que si vite : la vitesse de la lumière. Nous étudions des galaxies dont la lumière voyage depuis plus de treize milliards d’années. L’univers n’a qu’environ 13,8 milliards d’années ! Ce sont les images de bébé de littéralement tout, et, en particulier, des bébés galaxies qui se seraient transformées en galaxies matures comme notre Voie Lactée.

Sinon, pourquoi J.W.S.T. a-t-il besoin de voir dans l’infrarouge?

Une grande partie de l’univers est remplie de ce que nous appelons la poussière, mais ressemble plus à de la fumée. Et cette fumée cache ce que nous essayons de voir. En particulier, les endroits où naissent les nouvelles étoiles sont vraiment poussiéreux. Vous ne pouvez pas voir à travers eux avec un télescope optique pour la même raison que vos yeux ne peuvent pas voir à travers eux. Un télescope comme Hubble ne le peut pas non plus. Mais la lumière infrarouge traverse la poussière. Il nous donne une vue d’une partie de l’univers qui était auparavant cachée. Nous pensons que la moitié des étoiles de l’univers nous sont cachées, mais en utilisant J.W.S.T. et l’infrarouge, elles devraient apparaître.

C’est peut-être une limitation de mon éducation d’enfance, mais sachant maintenant que la lumière est étirée, je suis curieux de savoir comment la lumière voyageant pendant treize milliards d’années à travers l’univers entier sera modifiée avant d’arriver ici. Est-ce que ce que nous voyons est ce à quoi cela ressemblait réellement?

Donc, vous demandez, en gros, est-ce qu’il est arrivé quelque chose aux messagers en cours de route?

Oui.

En général, non, mais, à certains égards, oui. C’est en fait une très belle question. La lumière s’étire, mais la lumière peut aussi être absorbée. Il y a une technique intéressante que nous pouvons faire en astronomie où nous allons trouver une lampe de poche éloignée, puis nous étudions la lumière qui manque parce qu’elle a été absorbée par le gaz en cours de route. Les photons peuvent également être dispersés. Mais, à part ces deux choses, cela ne change vraiment pas l’image fondamentale. Nous avons vraiment un aperçu de ce à quoi ressemblaient les choses à l’époque. Et je n’ai certainement rien appris de tout cela à l’école!

Depuis combien de temps savons-nous tout cela? J’ai lu une fois que, en termes de structure, l’esprit humain avait tout ce dont il avait besoin pour construire le télescope spatial Hubble il y a environ cent mille ans: nous n’avions tout simplement pas la capacité technique de le faire. Mais, si ce n’était pas ce qui limite, depuis combien de temps aurions-nous connu les bonnes questions pour construire J.W.S.T. ?

J’adore cette question, parce que vous avez raison : les humains modernes existent depuis quelques centaines de milliers d’années. Je le sais parce que j’ai emmené mon enfant au Hall of Human Origins du Smithsonian. Les anciens humains auraient connu la Voie lactée beaucoup plus intimement que nous, car aujourd’hui, nous avons une pollution lumineuse. Mais l’astronomie faisait partie de leur vie quotidienne, à la fois dans leurs récits et, une fois que nous avons inventé l’agriculture, pour savoir quand il fallait semer.

Certes, je suppose que les gens auraient posé les grandes questions autour des feux de camp aussi longtemps que nous avons eu le langage et que nous avons été des humains modernes avec de gros cerveaux. Comment tout cela a-t-il commencé? Sommes-nous différents des autres animaux ? Qu’est-ce qui s’est passé avant cela? Y a-t-il d’autres planètes ? Y a-t-il d’autres endroits comme celui-ci? Ce qui est vraiment cool dans la vie actuelle, c’est que nous pouvons obtenir de vraies réponses à ces questions. La technologie qui a construit J.W.S.T. est la même technologie dont vous auriez besoin pour construire un télescope pour aller étudier les planètes semblables à la Terre autour des étoiles proches et voir s’il y a de la vie là-bas. C’est incroyable, non? Nous nous sommes toujours demandés, depuis qu’il y a eu des humains : sommes-nous seuls ? Mais nous sommes à moins d’une génération d’avoir la technologie pour aller le découvrir. Pas même une génération. Une ou deux décennies.

La belle Voie lactée là-haut n’est pas la seule comme ça. Il y en a des milliers. Alors, comment en est-on arrivé là? Nous ne savons de quoi sont faites les étoiles que depuis la fantastique thèse de 1925 de Cecilia Payne-Gaposchkin – probablement la meilleure thèse d’astronomie jamais écrite. C’était sa thèse ! Pouvez-vous imaginer cela? Par exemple, nous nous asseyons tous et disons, je vais devoir faire quelque chose d’utile pour ma thèse. Et la sienne était, OK, voici de quoi sont faites les étoiles. Parce que personne ne le savait! Elle a utilisé cette toute nouvelle science de la mécanique quantique, ainsi que des données qui sortaient sur les empreintes digitales des étoiles, et elle a compris de quoi les étoiles sont faites. Cela m’époustoufle encore. Les étoiles sont faites d’hydrogène et d’hélium, avec un tas d’oligo-éléments, et elle l’a compris. Pouvez-vous imaginer un état des connaissances aussi ouvert ?

Ne pensez-vous pas que nous vivons encore dans ce monde d’une certaine manière?

Peut-être que oui. Parce que nous ne savons pas quelle est la majeure partie de la masse et de l’énergie dans l’univers. Nous savons de quoi environ quatre pour cent de l’univers est fait – des choses comme nous. Matière baryonique. Mais nous ne savons pas ce qu’est la matière noire, même s’il y en a beaucoup plus. C’est déroutant et ennuyeux. Et nous ne savons pas ce qu’est l’énergie noire. C’est cette étrange force répulsive qui fait que l’univers s’étend de plus en plus vite. C’est ridicule, qu’est-ce que c’est? Nous ne l’avions pas prévu, mais c’est là. Il y a des thèses à écrire dans lesquelles quelqu’un résout la matière noire, ou dans lesquelles il comprend ce qu’est l’énergie noire.

A quelle grande question en suspens en astronomie aimeriez-vous le plus que dans votre vie on puisse répondre?

Oh, mon Dieu. Vous savez, cela va me faire me sentir un peu comme un traître à mon domaine, parce que j’étudie comment les galaxies évoluent, comment les galaxies forment les étoiles, et de quoi les galaxies sont faites et à quoi elles ressemblent. C’est ce que je fais. Et il y a suffisamment de questions intéressantes et importantes à ce sujet pour durer quelques vies. Mais, même si j’aime cette science, je pense que la chose la plus importante que l’astronomie pourrait faire est de déterminer si nous sommes seuls dans l’univers. Déterminez s’il existe d’autres planètes qui sont non seulement habitables mais habitées. Quelle est notre place dans l’univers ? Je ne connais pas de question plus profonde que celle-là. J’espère – mais c’est peut-être l’idéaliste en moi – que, quelle que soit la réponse, cela nous aiderait, en tant qu’espèce, à mieux prendre soin de la seule planète dont nous savons qu’elle peut soutenir la vie. Il se pourrait qu’il s’agisse d’une oasis très rare dans un univers solitaire.

Ces télescopes sont-ils meilleurs pour nous donner de nouvelles questions ou des réponses définitives?

Parfois, nos paradigmes sont renversés et nous repoussons les frontières de notre propre ignorance. Nous savons maintenant, par exemple, comment faire de l’or. Quand j’étais aux études supérieures, nous ne savions pas où l’or était fabriqué dans les étoiles. Nous savons maintenant, grâce à l’observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser, que l’or provient d’un certain type d’étoile qui explose.

Quand j’étais au lycée, nous ne savions pas combien d’autres planètes orbitaient autour d’autres étoiles et à quel point elles pouvaient être rares. tess de la nasa nous a donné la réponse. Mais ensuite, nous avons posé une question plus intéressante: à quoi ressemblent-elles? Nous devons donc aller faire toute la chimie que J.W.S.T. fait pour comprendre à quoi ressemblent ces planètes. Et puis nous pourrions dire, Eh bien, est-ce que l’un d’entre eux pourrait générer la vie? Et c’est encore une question plus compliquée. Alors peut-être que c’est que nous répondons aux questions de base, et que nous passons à des questions plus nuancées, mais, à certains égards, plus profondes.

Ce que vous avez mentionné, c’est que, pendant des siècles, l’astronomie a été inestimable dans une partie de la vie quotidienne, de l’agriculture à la navigation sur l’océan en passant par le calcul des jours saints d’obligation. Tout le monde en ressentait les effets. Comment l’astronomie fait-elle encore partie du domaine pratique, ou l’astronomie existe-t-elle aujourd’hui pour les astronomes ?

L’astronomie sous-tend toujours nos vies, et probablement plus qu’avant. C’est juste invisible. G.P.S. utilise la relativité générale telle que développée et testée sur des objets astronomiques. Sans relativité, G.P.S. cesserait de fonctionner en quelques minutes. Nous comptons toujours sur les calendriers pour nous dire quand faire les choses. Nous mesurons quand nous devons ajouter ces minuscules petites secondes intercalaires pour garder nos calendriers précis. Chaque fois que vous utilisez votre téléphone pour prendre une photo, vous utilisez un appareil photo numérique C.M.O.S. qui a été en grande partie développé pour l’astronomie. Il y a donc beaucoup d’aspects pratiques, mais ce n’est pas pour cela que nous faisons de l’astronomie.

Fondamentalement, l’astronomie consiste à savoir comment nous en sommes arrivés là. Et tout le monde s’est posé la question. Comment en suis-je arrivé là ? À quoi bon? Quelle est la situation dans son ensemble? Qu’est-ce qui est plus grand que moi? Et qu’y aura-t-il ici quand je serai parti?

Est-ce cela qui nous attire vers les images de J.W.S.T. ?

Je pense qu’il y a deux raisons pour lesquelles l’astronomie est si convaincante et occupe une place démesurée dans la conscience publique, même s’il n’y a vraiment pas beaucoup d’astronomes. Nous faisons la une des journaux en partie parce que ce que nous faisons est visuellement époustouflant. Parce que l’univers est un endroit magnifique et merveilleux. Je trouve toujours surprenant que nous voyions l’univers comme beau, parce que notre cerveau n’a pas évolué pour cela. Nos cerveaux ont évolué pour ne pas être mangés par les tigres à dents de sabre. Communiquer et coopérer, survivre et travailler ensemble. Mais nous voyons l’univers comme beau. Une partie de ce que font les astronomes est de fournir ce sentiment de connexion et d’émerveillement. L’astronomie nous montre ce qu’il y a dehors.

L’histoire que les données racontent est que tous les éléments de notre corps, à l’exception de l’hydrogène dans les molécules d’eau, ont été fabriqués dans les étoiles. Tout l’oxygène, tout le carbone, tout l’azote, tout le fer: tout cela a été fabriqué dans les étoiles, puis craché à travers plusieurs générations d’explosions stellaires, de supernovae, puis ces débris fusionnant en nouvelles étoiles. Nous faisons donc partie de l’histoire, littéralement. Carl Sagan a dit, profondément, que nous sommes faits de trucs d’étoiles, et c’est vraiment vrai, à l’exception de l’hydrogène qui reste du Big Bang. Même le fer qui transporte l’énergie autour de votre corps a été fabriqué dans une explosion stellaire impliquant ce que nous pensons être une supernova de type 1A – une vieille étoile. Les glucides que vous mangez, l’oxygène que vous respirez, tout cela a été fabriqué dans des étoiles massives qui ont explosé très rapidement. Et donc, littéralement, c’est notre histoire d’origine. ♦

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