Comment fonctionnent les télescopes spatiaux : miroirs, longueurs d'onde et histoire cosmique

Chaque télescope spatial fait le même travail de base : collecter autant de lumière que possible d'une source lointaine et faible et la concentrer sur un détecteur. La façon dont la lumière est collectée et les longueurs d'onde qui peuvent être capturées dépend de la conception des miroirs et de l'endroit où le télescope se situe dans l'espace, selon l'aperçu de la science des télescopes de la NASA.

Pourquoi mettre un télescope dans l'espace

Les télescopes terrestres regardent à travers l'atmosphère terrestre, où les poches d'air qui se déplacent déforment la lumière entrante — le même effet qui fait scintiller les étoiles. La page du programme Hubble de la NASA explique que ce mouvement brouille les images prises au sol et que l'atmosphère absorbe également la majeure partie du rayonnement ultraviolet et infrarouge avant qu'il n'atteigne la surface.

En orbite à environ 300 milles au-dessus de la Terre, Hubble évite ce flou atmosphérique et peut détecter des objets environ dix fois plus faibles que les télescopes terrestres équivalents peuvent, selon la NASA. Les télescopes spatiaux peuvent également observer continuellement, sans interférence du temps, de la lumière du jour ou de la pollution lumineuse urbaine.

Des miroirs, pas seulement des lentilles

Les premiers télescopes utilisaient des lentilles en verre pour courber la lumière, une conception appelée réfraction. L'explication Telescopes 101 de la NASA note que les grandes lentilles deviennent lourdes et difficiles à lancer, donc la plupart des télescopes modernes sont des télescopes réfléchissants qui utilisent plutôt des miroirs courbes, car les miroirs peuvent être rendus plus minces et plus légers pour la même taille.

Dans une conception réfléchissante typique, la lumière frappe un grand miroir primaire en forme de paraboloïde et rebondit vers un petit miroir secondaire. Sur le télescope spatial James Webb spécifiquement, la description des miroirs de Webb de la NASA ajoute deux autres étapes : la lumière du miroir secondaire se réfléchit sur un miroir tertiaire concave puis sur un miroir de direction fine plat avant d'atteindre finalement les instruments scientifiques.

Des télescopes différents, des lumières différentes

La lumière visible, ultraviolette et infrarouge peuvent toutes être concentrées avec des formes de miroir similaires mais des revêtements différents. Les 18 segments de miroir primaire hexagonaux de Webb, faits de métal béryllium et revêtus d'une couche d'or de 100 nanomètres, sont accordés spécifiquement pour refléter efficacement la lumière infrarouge, selon la description des miroirs de Webb de la NASA. Hubble, en contraste, est construit pour collecter la lumière ultraviolette, visible et infrarouge proche, dit la NASA.

Les rayons X se comportent différemment : ils pénétreraient simplement ou seraient absorbés par un miroir ordinaire, un peu comme des balles frappant un mur, l'explique le Centre des rayons X Chandra de Harvard. Les miroirs de Chandra sont plutôt en forme de cylindres emboîtés revêtus d'iridium, réfléchissant les rayons X seulement à un angle de 'rasance' superficiel plutôt que directement, selon le centre. Chandra utilise quatre paires de miroirs emboîtés, huit miroirs au total, polis et alignés à 1,3 micromètres près.

Les rayons gamma sont encore plus énergétiques et passent directement à travers l'optique conventionnelle. La NASA note que les télescopes à rayons gamma comme Fermi utilisent plutôt des détecteurs qui suivent les particules produites lorsque les rayons gamma frappent une matière dense comme le tungstène, reconstruisant l'origine du rayon à partir de ces pistes de particules plutôt que de concentrer les rayons avec un miroir.

Pourquoi l'emplacement compte : orbite lointaine de Webb

Webb n'orbite pas la Terre de près comme le fait Hubble. La page de mission de la NASA dit que Webb tourne autour du deuxième point de Lagrange Sol-Terre, L2, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, complétant un circuit à peu près tous les six mois. À cet endroit, le Soleil, la Terre et la Lune restent d'un côté du vaisseau spatial, ce qui permet au pare-soleil de la taille d'un court de tennis de Webb de bloquer continuellement leur chaleur et leur lumière.

Ce blindage est essentiel car Webb observe la lumière infrarouge, qui est essentiellement de la chaleur. La NASA affirme que le télescope fonctionne à des températures extrêmement froides — environ moins 370 degrés Fahrenheit, selon la page d'orbite de Webb — de sorte que toute chaleur parasite du Soleil ou de la Terre ne inonde pas les détecteurs avec du bruit infrarouge et ne submerge les faibles signaux des galaxies lointaines.

Voir le passé, pas seulement le lointain

Parce que la lumière voyage à une vitesse fixe et finie, regarder plus loin dans l'espace signifie regarder plus loin dans le passé. L'aperçu scientifique de Webb de la NASA note que le télescope peut détecter la lumière infrarouge de galaxies à plus de 13,5 milliards d'années-lumière — ce qui signifie que la lumière capturée aujourd'hui a quitté ces galaxies il y a plus de 13,5 milliards d'années, quand l'univers était jeune. Observer la lumière, en effet, montre l'objet tel qu'il existait au moment où la lumière est partie, pas comme il se présente maintenant.

Webb porte quatre instruments scientifiques pour analyser cette lumière ancienne : NIRCam et NIRSpec pour l'imagerie et la spectroscopie infrarouge proche, MIRI pour les observations infrarouge moyen, et un capteur de guidage fin appairé avec l'instrument NIRISS, selon l'aperçu du télescope de la NASA.

Du miroir à l'image sur Terre

Les télescopes spatiaux modernes n'utilisent pas de film photographique. L'expliquant de la NASA sur le fonctionnement des télescopes indique que la lumière concentrée par les miroirs tombe sur des détecteurs électroniques, qui la convertissent en signaux numériques. Ces signaux sont stockés par des ordinateurs à bord et transmis aux stations terrestres sur Terre, où les scientifiques reconstituent les données en images mises en circulation publiquement.