Le monde est encore sous le choc de la sortie des premières images du télescope spatial James Webb (JWST). Celles-ci ont fourni un aperçu complet du type d'opérations scientifiques que Webb mènera au cours de sa mission de 20 ans. Ils comprenaient le regard le plus sensible et le plus détaillé sur certains objets astronomiques emblématiques, les spectres d'une atmosphère d'exoplanète et une vue en champ profond de certaines des galaxies les plus éloignées de l'univers. Depuis leur sortie, nous avons également eu droit à des aperçus d'objets du système solaire capturés par les instruments infrarouges de Webb.

Pendant ce temps, la collaboration JWST a publié un rapport complet intitulé "Caractérisation des performances scientifiques du JWST à partir de la mise en service", dans lequel ils ont examiné tout ce que Webb a accompli jusqu'à présent et ce qu'ils anticipent tout au long de la mission. Ce document est récemment apparu en ligne et couvre tout, de la navigation du télescope aux performances de ses nombreux instruments. Une information intéressante, qui n'avait pas été publiée auparavant, est la façon dont Webb a subi une série d'impacts de micrométéoroïdes, dont l'un a provoqué un "changement non corrigible" dans un segment de miroir.

L'équipe à l'origine de cette étude comprenait des chercheurs des trois agences spatiales participantes – la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne (ASC) – et des nombreuses agences partenaires de la mission. Il s'agit notamment du Space Telescope Science Institute (STScI), du Niels Bohr Institute, du Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), du UK Astronomy Technology Centre (UK ATC), du National Research Council Canada (NRCC), de l'Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), le Centro de Astrobiología (CAB) et de nombreuses entreprises aérospatiales, universités, instituts de recherche et agences du monde entier.

Le document qu'ils ont compilé évalue les performances du JWST au cours de la période de mise en service de six mois avant son entrée en service le 12 juillet 2022. Il s'agissait de caractériser les performances en orbite de l'observatoire, la conception et l'architecture du JWST, ainsi que les performances prévues avant le lancement. Celles-ci ont ensuite été comparées aux performances du vaisseau spatial, des télescopes, des instruments scientifiques et du système au sol. La section 4 du rapport, Performances optiques, traite du fonctionnement des divers instruments de Webb pendant la période de mise en service.

Le miroir primaire du JWST se compose de dix-huit segments hexagonaux disposés dans une configuration en nid d'abeille. Chaque segment est composé de béryllium plaqué or, et tous sont alignés pour assurer la résolution et la sensibilité les plus élevées possibles. La performance globale est mesurée en termes d'erreur de front d'onde (WFE), qui fait référence à la manière dont la lumière collectée par les miroirs du télescope s'écarte de la longueur d'onde attendue de la lumière. L'étendue globale est déterminée en calculant l'écart de la lumière collectée par rapport à l'erreur RMS (Root-Mean-Square) :la moyenne sphérique de l'ensemble du front d'onde.

Ceci est exprimé mathématiquement en utilisant les unités de la longueur d'onde particulière, mesurée en nanomètres (nm) lorsqu'il s'agit de longueurs d'onde infrarouges. La section 4.7 traite des impacts des micrométéoroïdes et de leur effet potentiel sur les performances optiques à long terme de Webb. L'évaluation commence par rappeler aux lecteurs que tout vaisseau spatial rencontrera inévitablement des micrométéoroïdes, puis énumère comment plusieurs impacts étaient attendus pendant la période de mise en service :

"Lors de la mise en service, la détection du front d'onde a enregistré six déformations de surface localisées sur le miroir primaire qui sont attribuées à l'impact des micrométéoroïdes. Celles-ci se sont produites à un rythme (environ un par mois) conforme aux attentes de pré-lancement. Chaque micrométéoroïde a provoqué une dégradation du front d'onde du impacted mirror segment, as measured during regular wavefront sensing. Some of the resulting wavefront degradation is correctable through regular wavefront control; some of it comprises high spatial frequency terms that cannot be corrected."

They further indicate that these micrometeoroid impacts were detected so far through wavefront sensing. Five of the six detected impacts had negligible effects, contributing to a combined total of less than 1 nanometer to the overall wavefront error. However, the remaining impact, which occurred between May 22nd and May 24th, caused a "significant uncorrectable change" in the overall figure of segment C3. This segment is located on the lower right side of Webb's primary mirror (when seen from the front), and the effect is illustrated in the Report (see image above).

Luckily, the overall effect was small since only a small portion of the telescope area was affected by it. The mission teams also conducted two realignment steps to correct for the impact, which brought the telescope alignment to a minimum of 59 nm RMS, which is about 5 to 10 nm above the previous best wavefront error RMS values. The authors of the Report also go on to note that "drifts and stability levels" in the telescope typically result in a "telescope contribution" of between 60 (minimum) to 80 nm RMS—at which point, wavefront control is typically performed.

They also explain that it is unknown at this time whether or not the May 2022 impact to segment C3 was rare or something that can be expected to happen frequently throughout JWST's mission. As they state, this is essential if the JWST mission teams hope to determine if the telescope will be more susceptible to damage by micrometeoroids than pre-launch modeling predicted:

"The project team is conducting additional investigations into the micrometeoroid population, how impacts affect beryllium mirrors, and the efficacy and efficiency tradeoffs of potential mitigations such as pointing restrictions that would minimize time spent looking in the direction of orbital motion, which statistically has higher micrometeoroid rates and energies."

To summarize, the impact on the C3 segment raised concerns among the mission controllers. But the upside is that it was nothing they couldn't address and is not expected to affect Webb's long-term science operations. As the Report summarizes:

"The key outcome of six months of commissioning is this:JWST is fully capable of achieving the discoveries for which it was built. JWST was envisioned 'to enable fundamental breakthroughs in our understanding of the formation and evolution of galaxies, stars, and planetary systems'… we now know with certainty that it will. The telescope and instrument suite have demonstrated the sensitivity, stability, image quality, and spectral range that are necessary to transform our understanding of the cosmos through observations spanning from near-earth asteroids to the most distant galaxies."

Moreover, the Report's authors conclude that the JWST's performance has been better than expected, almost across the entire board. In terms of the optical alignment of its mirrors, the point spread function, the time-stability of its imaging, and the fine guidance system that points the observatory, Webb has exceeded expectations. They also indicate that the mirrors are cleaner, and the science instruments have generally provided higher total system throughput than pre-launch expectations. All of this adds up to some optimistic appraisals:

"Collectively, these factors translate into substantially better sensitivity for most instrument modes than was assumed in the exposure time calculator for Cycle 1 observation planning, in many cases by tens of percent. In most cases, JWST will go deeper faster than expected. In addition, JWST has enough propellant on board to last at least 20 years."

The JWST Collaboration stated that further details will be presented in a planned series of papers. These will appear in a special issue of the Publications of the Astronomical Society of the Pacific (PASP) dedicated to the JWST. + Explorer plus loin

James Webb telescope hit by micrometeoroid:NASA