À l’intérieur de la machine de l’univers : le bouclier solaire froid du télescope spatial Webb

Lorsque les astronautes d’Apollo ont renvoyé le premières photographs de la Terre en tant que disque dans l’espacele poète Archibald Mac Leish l’a décrit comme “cette beauté lumineuse dans le froid éternel”. Il n’était pas loin. L’espace profond a un Température de 2,7 kelvins– à seulement 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu.

Si le télescope spatial James Webb doit fonctionner – regardant si loin et donc si loin dans le temps qu’il peut voir les premières galaxies se previous après le significant bang – il devra imager des objets si faibles qu’ils se détachent à peine du froid autour d’eux. Le monde commencera à découvrir le bon fonctionnement de l’observatoire dès la semaine prochainelorsque JWST devrait publier sa première mine d’images scientifiques et de données spectroscopiques.

Donc, pour les besoins de la discussion, supposons toutes les indications jusqu’à présent indiquent en fait le lancement réussi de la phase de collecte de données scientifiques (espérons-le longue et riche en histoires) de la mission de Webb. Remark alors les ingénieurs et les concepteurs de ce télescope massif ont-ils jamais permis de refroidir suffisamment le télescope – le tout à une distance de près de quatre fois la distance de la Terre à la Lune – pour éventuellement faire son travail ?

Après in addition de 25 ans de travail et des obstacles technologiques incalculables, l’équipe Webb a lancé et stationné son gigantesque observatoire en orbite solaire et a amené ses devices en dessous de 40 kelvins (-233 ° C), assez froid pour voir l’univers primitif plus que il y a 13,5 milliards d’années. Remarquablement, la majeure partie du refroidissement a été effectuée passivement, en protégeant le télescope du soleil et en laissant la physique s’occuper du reste.

« Webb n’est pas seulement le produit d’un groupe de personnes. Ce n’est pas le produit de certains astronomes intelligents – Webb est vraiment le produit de la capacité de notre monde entier », déclare Keith Parrisun chef de l’équipe Webb de la NASA Centre de vol spatial Goddard dans le Maryland. “Pris dans son ensemble, Webb est vraiment le résultat de tout notre savoir-faire dans la construction de machines complexes.”

Parrish a rejoint le projet en 1997, devenant finalement son responsable de la mise en assistance au fil des années de conception, d’assemblage, de check, de retard et, enfin, de lancement le 25 décembre 2021. Il en dit presque tout – sa forme et son emplacement, les matériaux à partir desquels il est fait – a été dicté par la nécessité d’avoir un observatoire qui survivrait pendant des années à des températures tremendous froides.

Sur cette picture, le pare-soleil JWST à cinq couches est déployé et inspecté dans une salle blanche. Les couches de Kapton E enduit ne se touchent jamais, minimisant la transmission de chaleur d’une couche à l’autre. Alex Evers/Northrop Grumman

Le Webb est un observatoire infrarouge pour de nombreuses raisons, dont la moindre n’est pas qu’à mesure que l’univers s’étend, la longueur d’onde de la lumière provenant d’objets distants s’allonge, provoquant un redshift spectaculaire. L’infrarouge est également bon pour voir à travers la poussière et les gaz cosmiques, et pour imager des choses froides telles que des comètes, des objets de la ceinture de Kuiper et peut-être des planètes en orbite autour d’autres étoiles.

Mais le rayonnement infrarouge est souvent mieux mesuré en tant que chaleur, c’est pourquoi il est essential que le Webb soit si froid. Si, comme le télescope Hubble, il était en orbite terrestre basse et qu’il n’avait pas de defense contre le soleil, la plupart de ses cibles seraient noyées par le soleil et le sol, ainsi que par la chaleur du télescope lui-même.

“Si mon sign est de la chaleur – et que l’infrarouge est de la chaleur – alors ce que je ne peux pas avoir, ce sont d’autres sources de chaleur qui font du bruit dans le système”, déclare Jim Flynnle responsable du pare-soleil à Northrop Grummanle maître d’œuvre du Webb.

Ainsi, le Webb a été envoyé pour encercler un level dans l’espace appelé L2, à 1,5 million de kilomètres, à l’opposé du soleil, l’un des endroits connus sous le nom de points de Lagrange, où la gravité de la Terre et du soleil s’annulent à peu près. C’est un bon compromis : la Terre est suffisamment éloignée pour ne pas interférer avec les observations, mais suffisamment proche pour que la communication avec le vaisseau spatial puisse être relativement rapide. Et comme le vaisseau ne vole pas du jour à la nuit et revient sur chaque orbite, sa température est relativement secure. Tout ce dont il a besoin, c’est d’un très, très bon pare-soleil.

“Quatre [layers of sunshield] aurait probablement fait le travail. Cinq nous a donné une petite law enforcement d’assurance. J’aimerais dire que c’était bien in addition sophistiqué que ça, mais ce n’est vraiment pas du tout ce que c’était.
—Keith Parrish, Centre de vol spatial Goddard de la NASA

“L’ingénierie a été poussée au-delà des attentes pour atteindre les objectifs scientifiques”, déclare Alexandra Lockwoodscientifique de projet au Institut des sciences du télescope spatial, qui exploite le Webb. “Il est spécifiquement conçu comme il est parce qu’ils voulaient faire de la science infrarouge intense.”

Il s’agit d’un navire disgracieux dans de nombreux rendus, avec l’assemblage du télescope, intentionnellement ouvert sur l’espace pour éviter l’accumulation de chaleur, attaché à son pare-soleil argenté, d’environ 14 mètres de significant et 21 mètres de lengthy, avec cinq couches de movie isolant pour garder le télescope dans l’obscurité presque totale.

De son côté ensoleillé, le pare-soleil ressemble à peu près à un cerf-volant. La forme allongée, selon les ingénieurs, serait le moyen le moreover efficace de protéger l’optique du Webb du soleil. Ils considéraient un carré ou un octogone, mais la variation finale couvre in addition de area sans beaucoup additionally de masse.

“Ce n’est pas moreover grand que nécessaire pour répondre aux exigences scientifiques en matière de champ de eyesight, et cette forme distinctive de cerf-volant en est le résultat”, déclare Parrish. “Furthermore grand qu’il ne l’est maintenant, cela rend tout additionally complexe.”

Les cinq couches du bouclier sont constituées de Capton E, un movie plastique développé pour la première fois par DuPont dans les années 1960 et utilisé pour l’isolation des engins spatiaux et les circuits imprimés. Les couches sont recouvertes d’aluminium et de silicium. Chacun est additionally fin qu’un cheveu humain. Mais les ingénieurs disent qu’ils sont, ensemble, très efficaces pour bloquer la chaleur du soleil. La première couche réduit sa résistance d’environ un ordre de grandeur (ou 90 %), la deuxième couche supprime un autre ordre de grandeur, et ainsi de suite. Les couches ne se touchent jamais et elles sont légèrement évasées lorsque l’on s’éloigne du centre du bouclier, de sorte que la chaleur s’échappe par les côtés.

Résultat : les températures du côté ensoleillé du bouclier approchent les 360 K (87 °C), mais du côté obscur, elles sont inférieures à ce très vital 40 K (-233 °C). Autrement dit : in addition de 200 kilowatts de énergie solaire tombent sur la première couche, mais seulement 23 milliwatts traversent la cinquième.

STScI/NASA

Pourquoi cinq couches ? Il y avait beaucoup de modélisation informatique, mais il était difficile de simuler le comportement thermique du bouclier avant le vol. « Quatre auraient probablement fait le travail. 5 nous a donné une sorte de law enforcement d’assurance », explique Parrish. “J’aimerais dire que c’était bien moreover sophistiqué que ça, mais ce n’est vraiment pas du tout ce que c’était.”

La capacité à refroidir le télescope naturellement, calculé pour la première fois dans les années 1980 comme étant possible, était une avancée majeure. Cela signifiait que le Webb n’aurait pas à compter sur un appareil cryogénique lourd et complexe, avec des réfrigérants qui pourraient fuir et raccourcir la mission. De ses quatre principaux instruments scientifiques, un seul, un détecteur infrarouge moyen appelé MIRI, doit être refroidi à 6,7 K. Il est refroidi par un cryorefroidisseur à plusieurs étages, qui pompe de l’hélium gazeux froid à travers des tubes à impulsions pour évacuer la chaleur du capteur de l’instrument. Il utilise le Effet Joule-Thomson, réduisant la température de l’hélium en le faisant se dilater après l’avoir forcé à travers une valve de 1 millimètre. La pression provient de deux pistons – les seules pièces mobiles du système de cryorefroidisseur – faisant deal with à des directions opposées afin que leurs mouvements s’annulent et ne perturbent pas les observations.

La development du télescope s’est avérée extrêmement compliquée il a pris des années de retard tandis que son spending budget a gonflé à 10 milliards de dollars américains. Le pare-soleil a nécessité une longue refonte après les tests, lorsque le Kapton s’est déchiré et que les attaches se sont desserrées.

“Nous avons juste mordu bien plus que nous ne pouvions mâcher”, dit maintenant Parrish. « C’est exactement ce que la NASA devrait faire. Il devrait repousser les limites. Le problème est que finalement Webb est devenu trop gros pour échouer.

Mais il est finalement déployé, envoyant des données et surprenant les ingénieurs qui s’attendaient à au moins quelques échecs lorsqu’il a commencé à fonctionner. Keith Parrish, son travail terminé, passe à d’autres projets chez Goddard.

“Je pense que Webb”, dit-il, “est juste un exceptional produit de ce que signifie être une civilisation avancée.”