À quel point un télescope spatial doit-il être résistant pour survivre à la fois à l'environnement terrestre et au froid, environnement sans air de l'espace? Paul Geithner, le chef de projet adjoint - technique pour le télescope spatial James Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, a répondu à quelques questions sur les défis de conception de la construction du télescope et le défi des tests qu'il a subis au cours des années qui ont précédé son lancement. Télescope spatial James Webb, ou Webb, est le prochain observatoire spatial infrarouge de la NASA, qui sera lancé en 2019.

Q :À quel type de conditions Webb et ses instruments doivent-ils résister ?

Paul :L'ensemble de l'observatoire doit survivre aux conditions de contrainte mécanique causées par la vibration violente du lancement. De plus, la moitié "froide" de l'observatoire - le télescope et ses instruments - doit survivre au retrait thermique qui se produit lorsqu'ils se refroidissent de la température ambiante aux températures cryogéniques auxquelles ils fonctionnent dans le froid de l'espace.

Le défi technique consiste à faire fonctionner Webb à des températures extrêmement froides, puisque Webb est construit à température ambiante. Les matériaux rétrécissent généralement à différentes températures lorsqu'ils refroidissent. Nous devons construire le télescope Webb de manière à ce qu'il rétrécisse précisément à la bonne forme et aux bonnes dimensions lorsqu'il fait extrêmement froid. Webb doit survivre aux contraintes du rétrécissement et de l'expansion pendant les tests à basse température et le réchauffer à nouveau - des choses qui se produiront lorsqu'il ira dans l'espace.

Webb doit survivre des années dans l'espace, exposé au rayonnement du soleil et de la galaxie.

Q : Pourquoi les tests de vibration sont-ils si importants ? et comment cela montre-t-il que Webb est prêt pour les rigueurs du lancement ?

Paul :Les tests de vibration sont effectués pour deux raisons. L'une des raisons est de valider que Webb peut gérer les secousses rigoureuses qu'il subira lors de la conduite d'une fusée dans l'espace, et l'autre raison est de vérifier la fabrication de la construction de Webb et de prouver que la conception a été conçue et assemblée correctement.

Nous utilisons deux méthodes complémentaires de vibration. Pour les basses fréquences de vibration, ce qui signifie d'environ 5 hertz (cycles par seconde) à 100 hertz, nous plaçons le matériel sur une surface - essentiellement une grande plaque métallique - qui repose sur des roulements afin qu'il puisse se déplacer d'avant en arrière, et cette surface est essentiellement connectée à un gros électro-aimant qui génère le mouvement de secousse.

Pour des fréquences plus élevées, au-dessus de 100 hertz, il est très difficile voire impossible d'obtenir la vibration nécessaire avec un grand système de table vibrante, au lieu de cela, nous mettons le matériel dans une chambre acoustique. Il s'agit d'une pièce aux parois épaisses avec de grands haut-parleurs qui produisent des niveaux sonores littéralement assourdissants.

Pris ensemble, la table vibrante et la chambre acoustique produisent les environnements vibratoires dont nous avons besoin pour tester correctement le Webb. Généralement pour un article unique en son genre comme Webb, les niveaux de vibration auxquels nous le soumettons lors des tests au sol sont environ le double de ce qu'il supportera pendant la mission. Ce test nous donne l'assurance que Webb a été assemblé correctement, survivra au vol réel, et fonctionnera comme prévu une fois dans l'espace.

Q : Pourquoi les tests cryogéniques sont-ils si importants ? et comment cela montre-t-il que Webb est prêt pour les contraintes de l'espace ?

Paul :Les tests à très froid ou « cryogéniques » font partie de la démonstration et de la vérification que les instruments et les composants de Webb fonctionnent comme ils le devraient et fonctionneront correctement une fois au deuxième point de Lagrange de la Terre (L2). Le point L2 est à environ 1 million de kilomètres de la Terre.

Nous mettons le matériel du télescope Webb dans une grande chambre à vide, fermer la porte, pomper tout l'air, puis faites passer de l'azote liquide et du gaz d'hélium extrêmement froid à travers la plomberie qui sillonne la surface de minces "coquilles" qui sont nichées à la manière d'une poupée russe à l'intérieur de la chambre à vide.

Les coquilles sont aussi appelées linceuls, et ils sont très froids. L'extérieur approche 77 Kelvin (environ moins 321 degrés Fahrenheit/moins 196 degrés Celsius—la température de l'azote liquide). La coque interne varie entre 10 et 20 Kelvin (entre moins 442 degrés Fahrenheit/moins 263 degrés Celsius et moins 424 degrés Fahrenheit/moins 253 degrés Celsius—la température du gaz d'hélium froid). Tout ce qui est niché à l'intérieur des linceuls irradiera sa chaleur latente vers eux et deviendra vraiment froid, trop.

L'effet est similaire à ce qui se passe par une nuit claire, lorsque la chaleur de la veille rayonne librement dans le ciel nocturne. Au matin, la température peut être assez froide. Pensez au désert, où le ciel est généralement sec et dégagé. Même s'il fait très chaud pendant la journée, il fait froid la nuit parce que la chaleur s'éloigne de la surface.

Q : Pourquoi Webb a-t-il besoin d'un "pare-soleil, " et quel type de protection offre-t-il ?

Paul :Les instruments sont à l'abri du soleil par un court de tennis de la taille d'un court, cinq couches, pare-soleil déployable. Le pare-soleil se compose de rampes déployables et de membranes en polyimide arachnéennes, essentiellement des feuilles de plastique spécial (DuPont Kapton), chacun d'environ un millième de pouce d'épaisseur et recouvert d'aluminium réfléchissant et de silicone protecteur. Essentiellement, il ressemble à un cinq couches, cerf-volant argenté géant dans l'espace.

Nous avons besoin d'un pare-soleil pour garder le télescope et les instruments froids car Webb est un télescope infrarouge, ce qui signifie qu'il voit la lumière infrarouge. La lumière infrarouge est une lumière légèrement plus longue, ou plus rouge, longueurs d'onde que la lumière visible. Nous ne pouvons pas le voir avec nos yeux, mais nous pouvons le ressentir comme une chaleur rayonnante.

Pour qu'un télescope infrarouge soit le plus sensible possible, ses optiques et instruments scientifiques doivent être très froids, ainsi, leur propre chaleur ne les aveugle pas aux faibles signaux infrarouges qu'ils essaient d'observer à partir d'objets astronomiques. Dans l'espace et à l'abri du soleil par le pare-soleil, le télescope et les instruments scientifiques feront face au froid extrême de l'espace lointain et deviendront eux-mêmes très froids.

Q :Quels matériaux ont été utilisés pour construire Webb ? et comment ces matériaux augmentent-ils la résilience de Webb ?

Paul : Nous avons utilisé du béryllium pour de nombreux miroirs de Webb et certaines des structures, car il est à la fois léger, rigide, fort, et dimensionnellement stable (arrête le rétrécissement et l'expansion) à la température de fonctionnement du télescope. Le béryllium change beaucoup de dimensions avec la température, mais il cesse pratiquement de rétrécir une fois qu'il descend en dessous d'une température de 100 Kelvin (environ moins 280 degrés Fahrenheit ou moins 173 degrés Celsius).

Nous avons utilisé de nombreux autres matériaux sur le Webb, y compris l'aluminium pour certaines choses, acier inoxydable pour les attaches, le titane pour les structures et les fixations, l'invar (un alliage) pour les nœuds structuraux, et bien d'autres métaux. Nous avons également des non-métaux comme les composites graphite-époxy pour la plupart des structures et la céramique de carbure de silicium pour l'un des instruments scientifiques (le spectrographe proche infrarouge—NIRSpec).

Q :L'orbite de Webb au deuxième point de Lagrange de la Terre (L2) est au-delà de la gaine protectrice du champ magnétique terrestre, ce qui signifie que le télescope est plus sensible au rayonnement solaire et aux éruptions solaires. Comment Webb est-il isolé de ces menaces ?

Paul :Le champ magnétique terrestre agit comme un bouclier déflecteur pour les protons et les électrons qui crachent tout le temps du soleil. La protection des satellites dans le champ magnétique terrestre consiste à placer du métal, comme des panneaux d'aluminium, entre l'électronique et l'environnement spatial, mise en place d'une bonne mise à la terre électrique, et rendre les composants électroniques résistants aux rayonnements. Parce que Webb est en dehors du champ magnétique terrestre, il sera bombardé par des particules chargées provenant du soleil, et il a donc besoin d'une protection supplémentaire. Ces particules chargées sont dures pour l'électronique, et ils peuvent s'accumuler sur les surfaces pour accumuler une charge statique qui peut provoquer des décharges dommageables.

Webb sera également vulnérable aux "éructations" massives occasionnelles du soleil qui se produisent avec les éruptions solaires et les éjections de masse coronale, qui sont des phénomènes dans lesquels le soleil libère des limaces de peut-être quelques années de protons et d'électrons en quelques heures seulement. Pour permettre à Webb de résister à un temps solaire aussi orageux ainsi qu'aux « beaux jours, " Presque tous ses composants électroniques sont protégés à l'intérieur de boîtiers métalliques et derrière plusieurs couches de métal ou de film métallisé.

L'électronique du côté froid du pare-soleil de Webb a l'avantage d'être derrière les cinq couches du pare-soleil, qui sont revêtus d'aluminium. L'électronique à l'intérieur du bus du vaisseau spatial, qui fait face au soleil, sont durcis, blindé, et mis à la terre. Webb a utilisé des pratiques de conception éprouvées et des codes de construction satellite pour s'assurer qu'il survivra et fonctionnera dans la dureté de l'environnement L2.

Q :Webb n'a pas été conçu pour être réparé, mais pourrait-il éventuellement être réparé ou ravitaillé lors d'une mission de service robotique ?

Paul :En théorie, une maintenance robotique de Webb pourrait être possible. Un robot pourrait saisir Webb au même endroit où il était attaché au lanceur Ariane, qui est l'anneau d'interface du lanceur sur le bus du vaisseau faisant face au soleil, puis ajoutez du carburant dans son réservoir de propulsion. Étant donné que Webb est un observatoire infrarouge extrêmement sensible, et une grande partie est à des températures cryogéniques, les opportunités et les avantages de l'entretien sont limités.

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire spatial infrarouge au monde de la prochaine décennie. Une mission de rupture pour les ingénieurs et les astronomes, Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l'Agence spatiale européenne (ESA), et l'Agence spatiale canadienne (ASC).