Comment les télescopes spatiaux voient ce que les observatoires terrestres ne peuvent pas

La lumière des étoiles et des galaxies voyage à travers l'univers sous de nombreuses formes, non seulement dans les couleurs visibles que l'œil humain peut voir. La lumière ultraviolette, infrarouge, des rayons X et des rayons gamma transportent des informations sur les jeunes étoiles chaudes, les nuages de poussière froide, les étoiles explosées et les trous noirs. Cependant, l'atmosphère terrestre absorbe ou brouille la plupart de cette lumière avant qu'elle n'atteigne le sol, selon la NASA Science et l'Agence spatiale européenne (ESA).

Pourquoi l'atmosphère terrestre est une barrière

L'ESA explique que l'atmosphère crée deux problèmes distincts pour l'astronomie infrarouge. D'abord, elle absorbe la plupart des longueurs d'onde infrarouges directement, ne laissant que quelques bandes étroites atteindre les télescopes terrestres. Deuxièmement, l'atmosphère elle-même brille dans l'infrarouge, émettant souvent plus de rayonnement que l'objet cosmique faible que les astronomes essaient d'étudier, ce qui noie le signal dans le bruit.

L'ESA note également que l'atmosphère bloque la plupart des rayonnements de haute énergie et ultraviolets, y compris les rayons X, les rayons gamma et la plupart des rayons ultraviolets. La NASA note que Chandra, son observatoire de rayons X, orbite à une altitude d'environ 139.000 kilomètres (86.500 miles) au-dessus de la Terre – environ 200 fois plus haut que Hubble – précisément parce que les rayons X n'atteignent jamais la surface.

Déplacer un télescope au-dessus de l'atmosphère, ou loin de la Terre en général, élimine les deux problèmes à la fois : il n'y a pas d'air pour absorber la lumière, et pas de brillance atmosphérique pour l'étouffer.

Différents télescopes, lumière différente

Chaque grand observatoire spatial est accordé à une partie spécifique du spectre. Hubble, lancé en 1990, observe principalement la lumière ultraviolette et visible (0,1 à 2,5 microns) et orbite à environ 300 milles (483 km) au-dessus de la Terre, toujours à portée des missions d'entretien occasionnelles, selon la NASA Science. Le Télescope spatial James Webb, lancé en décembre 2021, est construit pour la lumière infrarouge et se situe beaucoup plus loin, près du deuxième point de Lagrange (L2) à environ un million de milles de la Terre, où sa propre chaleur et celle de la Terre ne peuvent pas interférer avec les faibles signaux infrarouges qu'il essaie de détecter.

Le miroir primaire de Webb s'étend sur 6,5 mètres (21,3 pieds), comparé aux 2,4 mètres (7,9 pieds) de Hubble, lui donnant plus de six fois la surface collectrice de lumière. La NASA Science indique que Webb peut détecter des objets jusqu'à 100 fois plus faibles que Hubble ne peut le voir. Parce que l'expansion de l'univers étire la lumière des galaxies les plus distantes et les plus anciennes en longueurs d'onde infrarouges – un effet de décalage vers le rouge – la sensibilité infrarouge de Webb lui permet de regarder plus loin dans le temps cosmique que les instruments ultraviolets-et-visibles de Hubble ne peuvent le faire.

Webb porte des instruments dédiés à différentes plages infrarouges. Sa Caméra infrarouge proche (NIRCam) couvre 0,6 à 5 microns et sert d'imageur infrarouge proche principal de Webb, selon la page d'instrument de la NASA Science. L'Instrument infrarouge moyen (MIRI) couvre 5 à 28 microns et combine une caméra, un spectrographe qui divise la lumière en un spectre pour mesurer la luminosité à chaque longueur d'onde, et un coronographe qui bloque l'éclat d'une étoile afin que des planètes plus faibles à proximité puissent être vues. MIRI nécessite un cryorefroidisseur supplémentaire pour rester plus froid que le reste de l'observatoire afin que ses détecteurs ne soient pas aveuglés par la chaleur résiduelle de Webb.

Tous les observatoires spatiaux ne produisent pas d'images. Le vaisseau spatial Gaia de l'ESA, lancé le 19 décembre 2013 et stationné près de L2, construit une carte tridimensionnelle extraordinairement précise de plus de deux milliards d'étoiles à travers la Voie lactée, suivant leurs mouvements, luminosité, température et composition, selon la page de la mission Gaia de l'ESA. L'ESA dit que Gaia a amélioré la précision positionnelle d'un facteur cent par rapport à son prédécesseur, le satellite Hipparcos ; la mission est entrée dans sa phase post-opérationnelle après avoir connu des problèmes de capteurs et de micrométéorites en 2024.

À l'extrémité haute énergie du spectre, l'Observatoire de rayons X Chandra de la NASA, lancé le 23 juillet 1999, détecte les rayons X de phénomènes extrêmement chauds : étoiles explosées, amas de galaxies et matière tourbillonnant autour de trous noirs, selon la page de la mission d'astrobiologie de la NASA.

Assembler les pièces

Le scientifique du projet Herschel de l'ESA, Göran Pilbratt, a décrit la valeur de l'observation infrarouge spécifiquement pour étudier comment les étoiles et les planètes se forment : 'En observant dans l'infrarouge, nous pouvons étudier comment les choses se forment, les tout premiers stades, car les processus de formation se produisent très souvent dans des endroits froids et poussiéreux', a-t-il dit, selon l'ESA. La lumière infrarouge traverse les nuages de poussière qui bloquent la lumière visible, permettant aux instruments comme NIRCam et MIRI de Webb de voir les étoiles nouveau-nées et les planètes cachées à l'intérieur des nébuleuses.

Comme aucun télescope unique ne couvre tout le spectre, les astronomes combinent régulièrement les données de plusieurs observatoires. La NASA Science décrit Hubble et Webb comme des partenaires complémentaires plutôt que des rivaux : la vision infrarouge plus profonde de Webb traverse la poussière et le gaz, tandis que la vision ultraviolette et visible de Hubble complète les vues infrarouges de Webb, produisant ensemble une vue plus large des mêmes objets.