CM – Comment les astronomes ont décidé où pointer le télescope spatial le plus puissant jamais construit par la NASA

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Fin mars, Grant Tremblay était assis devant son ordinateur à son domicile de Cambridge, dans le Massachusetts, écoutant une réunion Zoom, lorsqu’il a vu une série de courriels apparaître dans sa boîte de réception. Le titre de chaque e-mail était le suivant : « Lettre de notification JWST du cycle 1 ».

Il sut immédiatement que c’était le jour que lui et ses collègues de la communauté astronomique attendaient avec impatience : c’était le Blacker Friday.

Le Blacker Friday, pour être clair, n’avait rien à voir avec les remises ou les vendredis. (C’était un mardi.) C’était le jour où Tremblay, un astrophysicien au Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics, et d’autres astronomes du monde entier, apprendraient s’ils recevraient un peu de temps pour utiliser le télescope spatial James Webb , ou JWST, l’un des télescopes spatiaux les plus puissants jamais créés.

Blacker Friday porte le nom de Brett Blacker, qui co-dirige le groupe des politiques scientifiques au Space Telescope Science Institute, ou STScI. Chaque année, l’institut est chargé de sélectionner les astronomes qui auront le temps d’utiliser le télescope spatial Hubble de la NASA. Et chaque année, après un long processus décisionnel, Blacker envoyait une rafale de courriels aux astronomes pleins d’espoir, tous le même jour à la même heure, les informant si leurs propositions d’utiliser le télescope avaient été acceptées ou rejetées. Ainsi, Blacker Friday – également parfois connu sous le nom de Blacker Apocalypse – est né.

Cette année, les enjeux étaient encore plus importants lors du Blacker Friday car, pour la première fois, les astronomes étaient informés s’ils obtiendraient du temps avec JWST, un tout nouvel observatoire spatial nettement plus grand et plus puissant que Hubble. Prévu pour être lancé dans l’espace lointain fin décembre, le télescope de près de 10 milliards de dollars construit par la NASA promet la capacité de scruter les recoins de l’Univers comme jamais auparavant. Avant le lancement de JWST, STScI avait la tâche ardue de déterminer laquelle des 1 173 propositions pour la première année de vie de l’observatoire – connue sous le nom de cycle 1 – devrait avoir du temps avec le télescope. Comment hiérarchisez-vous ce que l’équipement spatial le plus avancé au monde devrait faire lorsqu’il s’allume pour la première fois ?

« Ce qui est considéré comme le plus intéressant, c’est la science qui est considérée comme transformationnelle – qui changera notre vision de l’univers », a déclaré à The Verge Klaus Pontoppidan, astronome et scientifique du projet JWST au STScI. « Nous ne voulons pas que l’observatoire fasse les choses un peu mieux que ce qui a été fait auparavant. Nous voulions répondre à des questions fondamentales auxquelles on ne peut répondre autrement. »

La NASA prévoit de lancer JWST la veille de Noël. Mais pour la communauté astronomique, le lancement est la vraie fête. JWST est l’une des missions scientifiques spatiales les plus attendues du 21e siècle, car elle a la capacité de remodeler l’astronomie et l’astrophysique telles que nous la connaissons.

C’est parce que le télescope est la chose la plus proche que nous ayons d’une machine à remonter le temps. Arborant un miroir plaqué or de 21 pieds de large, JWST sera capable de voir dans l’infrarouge avec une sensibilité incroyable. Il sera capable de voir des objets 10 à 100 fois plus faibles que ce que le télescope spatial Hubble peut voir, et il sera capable de voir les choses avec 10 fois plus de détails. Il recueillera la lumière des étoiles et des galaxies situées jusqu’à 13,6 milliards d’années-lumière – une lumière qui a mis 13,6 milliards d’années pour atteindre les miroirs du télescope. Étant donné que l’on pense que l’Univers a environ 13,8 milliards d’années, les galaxies que JWST observera se sont probablement formées seulement 100 à 250 millions d’années après le Big Bang. Notre univers en était alors à ses balbutiements et JWST nous fournira les photos de bébé.

En plus de remonter le temps, le télescope nous aidera à comprendre la structure à grande échelle de l’Univers, et peut-être nous dira s’il continuera à s’étendre pour toujours. Il scrutera les centres des galaxies, trouvera des trous noirs supermassifs et aidera les astronomes à comprendre comment ces objets énigmatiques ont évolué au fil du temps. Il observera les naissances et les morts des étoiles. Il se penchera même sur notre propre système solaire pour étudier les objets les plus faibles aux confins de notre voisinage cosmique. Et il sera capable de regarder les confins des mondes en orbite autour d’étoiles lointaines. « Presque tous les domaines de l’astronomie auxquels vous pouvez penser seront abordés », a déclaré Christine Chen, astronome associée au STScI, à The Verge.

La promesse de JWST a toujours été à l’horizon. Depuis qu’une itération du télescope a été conçue pour la première fois en 1989, la route vers la rampe de lancement a été pavée de dépassements de coûts et de problèmes techniques. Naïvement, la NASA avait initialement envisagé un lancement entre 2007 et 2011, pour un coût total compris entre 1 et 3,5 milliards de dollars. Mais JWST a continué à manquer une date de lancement cible après la suivante, tandis que son coût total a grimpé à 9,7 milliards de dollars.

Alors que tout le monde attendait que JWST se matérialise, le monde de l’astronomie s’est épanoui. Un domaine entièrement nouveau a émergé depuis les années 1990, un domaine qui tourne autour de l’étude des planètes en dehors de notre système solaire, ou exoplanètes. Depuis que la première détection d’une exoplanète a été confirmée en 1992, nous avons découvert des milliers de ces mondes lointains en orbite autour d’étoiles extraterrestres. En 2017, les astronomes ont choqué le monde lorsqu’ils ont annoncé la découverte d’un système solaire extraterrestre entier, composé de sept planètes à peu près de la taille de la Terre, toutes en orbite autour d’une étoile naine. Et trois des sept planètes, connues sous le nom de système TRAPPIST-1, se trouvent dans la zone habitable de l’étoile, où les températures sont censées être juste pour que l’eau puisse s’accumuler à la surface d’une planète.

Après avoir découvert une telle abondance d’exoplanètes, les astronomes sont maintenant impatients de trouver ce qu’on appelle la Terre 2.0 : une planète de la taille de notre monde, en orbite autour d’une étoile comme notre Soleil à la bonne distance pour que l’eau liquide se forme. Mais les exoplanètes sont incroyablement faibles, et les méthodes traditionnelles pour les détecter – comme regarder les étoiles s’assombrir très légèrement lorsque les planètes passent devant elles – ne peuvent pas nous dire ce qui pourrait se cacher à leur surface. JWST, cependant, est suffisamment puissant pour pouvoir détecter la lumière passant directement à travers les atmosphères de certains mondes extraterrestres et utiliser cette lumière pour dire quels types de produits chimiques sont présents dans l’atmosphère. Peut-être pourrait-il même détecter des signes de vie.

C’est une capacité que personne n’avait vraiment envisagée lors de la conception du JWST, mais elle est maintenant considérée comme l’un des domaines scientifiques les plus passionnants que le télescope abordera. Cela signifie également qu’il y a encore plus de gens qui sont très désireux de ne passer que quelques heures avec le télescope spatial le plus avancé sur-construit.

« Tous nos sauts de transformation en astronomie d’observation sont rendus possibles par la fabrication de morceaux de verre de plus en plus gros, n’est-ce pas ? » dit Tremblay. « Et lorsque vous fabriquez un putain de morceau de verre assez grand – et surtout lorsque vous le lancez dans l’espace – l’espace de découverte de cet observatoire s’agrandit avec le temps. Cela ne diminue pas.

Alors que JWST est en fin de compte une mission de la NASA, c’est le travail du Space Telescope Science Institute de déterminer ce que JWST fait réellement dans l’espace. « Vous pouvez nous considérer comme une sorte de partie logicielle de l’observatoire », dit Pontoppidan, « tandis que la NASA est la partie matérielle. »

Cependant, STScI a dû attendre longtemps avant de déterminer le calendrier de la première année de JWST, et il y a eu quelques faux départs en cours de route. Lorsqu’il semblait que le télescope serait prêt à être lancé en 2019, l’Institut a appelé les astronomes à soumettre leurs propositions d’ici mars 2018. Puis juste une semaine avant la date limite, la NASA a annoncé que le télescope ne serait pas lancé avant 2020 au plus tôt. STScI a brusquement reporté la date limite jusqu’à ce qu’une date de lancement plus concrète soit déterminée.

Un autre report est intervenu à nouveau en mars 2020, en raison du début de la pandémie de COVID-19. Enfin, après ce qui a semblé être une éternité, les astronomes ont rendu leurs propositions le 24 novembre 2020, deux jours avant Thanksgiving. Ensuite, il était temps pour STScI de passer au crible les plus de 1 000 idées qui avaient été soumises.

STScI savait qu’il ne pouvait pas gérer ce processus seul. L’Institut a créé un comité d’attribution de temps comprenant des astronomes et des astrophysiciens du monde entier. Ils ont été séparés en 18 panels, chacun composé d’environ 10 personnes chargées d’examiner des propositions pour différents domaines des sciences spatiales et de les classer en fonction de trois critères importants : dans quelle mesure la proposition aura-t-elle un impact sur les connaissances dans un sous-domaine, dans quelle mesure elle fera progresser l’astronomie en général, et si l’idée proposée nécessite les capacités uniques de JWST pour réussir. Étant donné le nombre de personnes souhaitant utiliser JWST, l’Institut n’a pas voulu consacrer de temps à une observation qui pourrait être effectuée avec l’un des autres télescopes actuellement en ligne.

Avec tous ces repères à l’esprit, le comité s’est mis au travail pour évaluer toutes les propositions. Pour essayer d’éliminer autant de biais que possible du processus de sélection, le processus était « double anonyme ». Cela signifie que les personnes qui rédigent les propositions n’avaient aucune idée de qui les évaluerait, et les membres du comité n’avaient aucune idée des propositions qu’ils analysaient. En conséquence, 30% des propositions gagnantes sont dirigées par des femmes, et les scientifiques étudiant pour leur doctorat ont également eu plus de succès dans l’approbation de leurs idées. « Maintenant, puisque personne ne sait qui a rédigé la proposition, les étudiants peuvent avoir autant de succès que leurs mentors », déclare Chen.

Après un débat minutieux, le comité a sélectionné les propositions qu’il a trouvées les plus transformatrices. Il accordait ensuite à chaque proposition un certain nombre d’heures d’observation. En fin de compte, STScI a sélectionné un total de 266 propositions, soumises par des scientifiques de 41 pays à travers le monde.

Tremblay, l’astrophysicien de Harvard, avait soumis neuf propositions pour la première année du JWST. Le Blacker Friday, neuf nouveaux e-mails sont restés dans sa boîte de réception. (Les e-mails ne viennent plus de Blacker mais du bureau de la mission scientifique du STScI). Il les parcourut rapidement et lut l’un après l’autre :

Ce fut une déception mais certainement pas un choc. « Je n’ai pas été brisé par le manque de temps cette année », a déclaré Tremblay à The Verge. «Je savais que ce serait immensément, immensément compétitif pour le cycle 1, comme il se doit. Et ça va. Nous soumettrons à nouveau.

À près de 3 000 kilomètres de là, Caitlin Casey, astronome à l’Université du Texas, vivait un type très différent de Blacker Friday. Elle était chez elle à Austin, tenant son bébé endormi de deux mois sur ses genoux, tout en faisant défiler son téléphone. C’est à ce moment-là qu’elle a vu l’e-mail apparaître dans sa boîte de réception.

L’ambitieux projet qu’elle et son équipe avaient proposé, baptisé Cosmos Web, venait d’être approuvé. Et l’Institut donnait à Casey 208 heures avec JWST pour réaliser son projet, le plus grand nombre de tous ceux qui avaient soumis des propositions. Le projet observera une étendue de ciel particulièrement vaste de la taille de trois pleines lunes, une zone qui s’étend sur jusqu’à 63 millions d’années-lumière. Cela créera un portrait du jeune univers similaire à l’emblématique Hubble Deep Field de Hubble, qui présentait certaines des premières galaxies que nous pouvions observer à l’époque. Grâce aux capacités améliorées de JWST, l’équipe imagera des galaxies encore plus anciennes à des niveaux de détail encore plus élevés. « Si le Hubble Deep Field était imprimé sur une feuille de papier de huit et demi sur 11, Cosmos Web ressemblerait à une murale de 16 pieds sur 16 pieds sur le côté d’un bâtiment », explique Casey.

Gardant le silence pour ne pas réveiller son enfant endormi, Casey s’est connectée avec jubilation à Slack et a envoyé un message à son collègue et co-chercheur principal sur le projet, Jeyhan Kartaltepe, astrophysicien au Rochester Institute of Technology.

« Tout ce que j’avais à dire, c’est : » Nous l’avons eu «  », a déclaré Casey à The Verge. « Elle aussi était abasourdie. Et je pense que pour le reste de la journée, elle et moi, nous n’avons même pas pu nous concentrer. C’était une vague d’excitation et juste submergé par cette nouvelle. « 

Outre Cosmos Web, le système à sept planètes TRAPPIST-1 attirera beaucoup d’attention au cours de la première année de JWST, avec jusqu’à sept programmes différents dédiés à l’étude de cet étrange groupe de mondes. JWST examinera l’atmosphère de ces planètes, ainsi que des dizaines d’autres que nous avons trouvées dans l’Univers, dans l’espoir de déterminer si ces endroits pourraient convenir à la vie telle que nous la connaissons. Et il y a des centaines d’autres cibles que JWST observera, y compris des galaxies, des quasars, des trous noirs, etc.

Alors que le comité a essayé d’être aussi logique que possible dans ses décisions finales, tout le monde s’accorde à dire que le hasard entre en jeu. « Il y avait probablement beaucoup de programmes incroyables similaires au nôtre qui étaient également à considérer », explique Casey. « Il y a toujours un peu de chance dans le processus de sélection finale. Peut-être que quelqu’un dans le panel a juste aimé la manière spécifique dont nous avons présenté certaines informations.

Environ 10 000 heures d’observation sont allouées à différents groupes pour la première année de vie de JWST. Environ 6 000 heures ont été consacrées aux scientifiques qui ont soumis des propositions dans le monde entier, tandis que près de 4 000 heures ont déjà été réservées aux scientifiques qui ont aidé à concevoir et à construire JWST et ses instruments. Le STScI dispose également d’environ 460 heures de temps discrétionnaire qui ont été allouées pour ce que l’on appelle les « observations de libération anticipée ». Les données de ces heures, prévues pour être effectuées au cours des cinq premiers mois de la science, deviendront publiques immédiatement, de sorte que quiconque – même ceux qui n’ont pas eu le temps avec le télescope – puisse analyser les observations et rédiger ses propres études.

Quiconque fait le calcul se rendra compte que 10 000 heures, c’est en fait plus que le nombre d’heures d’une année civile. STScI a délibérément sur-prescrit le temps de JWST pour tenir compte de tout snafus. STScI programmera les observations de JWST par incréments de deux semaines, pendant lesquelles l’observatoire pointera de manière autonome sur ses cibles prévues. Cependant, il est possible que JWST ne parvienne pas à exécuter correctement certaines commandes de temps en temps. Si cela se produit, JWST passera simplement à l’observation suivante. Et l’Institut veut s’assurer que le télescope dispose de plans de repli lorsque de telles erreurs se produisent. « Nous ne voulons pas arriver à la fin de l’année, puis manquer d’observations », explique Pontoppidan.

STScI prévoit également de consacrer du temps à des objectifs que nous ne connaissons pas encore. Ce sont des événements comme la destruction explosive d’une étoile, connue sous le nom de supernova, ou lorsque deux étoiles particulièrement denses se réunissent dans une fusion cataclysmique, connue sous le nom de kilonova. Si les astronomes repèrent une supernova particulièrement juteuse se produisant dans le ciel, les opérateurs de JWST sont prêts à réorienter le programme afin qu’ils puissent rapidement observer les conséquences de l’événement éruptif.

La hiérarchisation des observations de JWST sera déterminée par la période de l’année et l’endroit où les choses sont positionnées dans le ciel. Mais en ce qui concerne la toute première observation que le télescope fera, la NASA sait ce que c’est – mais ne le dira pas. C’est censé être une surprise.

Alors que la flexibilité va être la clé pour JWST Cycle 1, STScI garantit que toutes les propositions qui ont été approuvées se produiront. Parce que chaque cible dans le ciel est dans la vue de JWST deux fois par an, si pour une raison quelconque une cible est manquée, il y a une deuxième occasion de l’observer six mois plus tard. Si une cible n’est pas respectée la première année, elle pourrait simplement se répercuter sur l’année suivante. « Fondamentalement, tout ce qui passe par le comité – recommandé et approuvé – s’exécutera sur le télescope », dit Chen, « tant que le télescope, vous savez, fonctionne. »

Si tout se passe bien avec le lancement du télescope, la NASA prévoit de mener au moins cinq ans et demi de recherche scientifique avec, et, espérons-le, jusqu’à 10 ans. En fin de compte, la durée de vie de l’observatoire est dictée par ses réserves de carburant limitées, qui sont nécessaires pour aider à réorienter JWST dans l’espace. Chaque fois que ce carburant s’épuise, la mission de JWST prendra fin.

Cette finalité est encore loin. Premièrement, JWST doit se lancer et survivre à son voyage dans l’espace. Une fois qu’il aura atteint sa destination finale à 1 million de kilomètres de la Terre, JWST subira six mois de mise en service – lorsque les scientifiques testeront méticuleusement les instruments à bord – avant que la vraie science ne commence.

Et puis, après une période de science transformationnelle, il sera temps de soumettre une autre série de propositions. Bien que Tremblay soit impliqué dans une proposition JWST pour le cycle 1 en tant que collaborateur plutôt que chercheur principal, il prévoit soumettre à nouveau ses idées pour le cycle 2. Et il comprendra si cela n’est pas accepté.

« En tant qu’astronome, nous nous habituons professionnellement aux rejets ; Je pourrais tapisser mon couloir avec les refus que j’ai reçus », dit Tremblay. « C’est juste le reflet du fait que la communauté a une immense demande pour le télescope. Et je pense que c’est une bonne chose.

Mise à jour du 20 décembre à 13 h 50 HE : cet article a été mis à jour pour clarifier les principaux chercheurs sur Cosmos Web.

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