Miroirs Webb/NASA

Miroir principal du télescope spatial James Webb à la NASA Goddard. Le miroir secondaire est le miroir rond situé à l'extrémité des longues flèches repliées dans leur configuration de lancement. Les miroirs de Webb sont recouverts d'une fine couche d'or microscopique, ce qui les optimise pour réfléchir la lumière infrarouge, qui est la principale longueur d'onde de la lumière que ce télescope observe. Photo : NASA/Chris Gunn

L'un des objectifs scientifiques du télescope spatial James Webb est de remonter dans le temps jusqu'à l'époque où les galaxies étaient jeunes. Webb le fait en observant des galaxies très éloignées, à plus de 13 milliards d'années-lumière de nous. Pour voir des objets aussi lointains et faibles, Webb a besoin d'un grand miroir. La sensibilité d'un télescope, ou la quantité de détails qu'il peut voir, est directement liée à la taille de la zone du miroir qui collecte la lumière des objets observés. Une plus grande surface recueille plus de lumière, tout comme un seau plus grand recueille plus d'eau dans une douche à effet pluie qu'un petit.

Les scientifiques et les ingénieurs du télescope Webb ont déterminé qu'un miroir primaire de 6,5 mètres (21 pieds 4 pouces) de diamètre était ce qui était nécessaire pour mesurer la lumière de ces galaxies lointaines. Construire un miroir aussi grand était un défi, même pour une utilisation au sol. Un miroir aussi grand n'avait jamais été lancé dans l'espace !

Si le miroir de 2,4 mètres du télescope spatial Hubble était dimensionné pour être suffisamment grand pour Webb, il serait trop lourd pour être lancé en orbite. L'équipe Webb a dû trouver de nouvelles façons de construire le miroir afin qu'il soit suffisamment léger - seulement un dixième de la masse du miroir de Hubble par unité de surface - mais très solide.

L'équipe du télescope Webb a décidé de fabriquer les segments de miroir en béryllium, qui est à la fois solide et léger. Chaque segment pèse environ 20 kilogrammes (46 livres).

L'équipe du télescope Webb a également décidé deconstruire le miroir en segments sur une structure qui se replie , comme les feuilles d'une table à abattant, de sorte qu'il puisse s'insérer dans une fusée. Le miroir se déploierait alors après le lancement. Chacun des 18 segments de miroir de forme hexagonale mesure 1,32 mètre (4,3 pieds) de diamètre, plat à plat. (Le miroir secondaire de Webb mesure 0,74 mètre de diamètre.)

La forme hexagonale permet d'obtenir un miroir segmenté à peu près circulaire avec "un facteur de remplissage élevé et une symétrie sextuple". Un facteur de remplissage élevé signifie que les segments s'emboîtent sans espace. Si les segments étaient circulaires, il y aurait des espaces entre eux. La symétrie est bonne car il suffit d'avoir 3 prescriptions optiques différentes pour 18 segments, 6 de chaque (voir schéma ci-dessus à droite). Enfin, une forme globale de miroir à peu près circulaire est souhaitée car cela focalise la lumière dans la région la plus compacte sur les détecteurs. Un miroir ovale, par exemple, donnerait des images allongées dans une direction. Un miroir carré enverrait une grande partie de la lumière hors de la région centrale.

Chacun des miroirs de Webb a une désignation individuelle. A, B ou C désigne laquelle des trois prescriptions miroir correspond à un segment. Les photos montrent la version de vol de chaque miroir du télescope !

Une fois dans l'espace, faire en sorte que ces miroirs se concentrent correctement sur des galaxies lointaines est un autre défi. Les actionneurs, ou minuscules moteurs mécaniques, fournissent la réponse pour obtenir une mise au point parfaite. Les segments de miroir primaire et le miroir secondaire sont déplacés par six actionneurs qui sont fixés à l'arrière de chaque pièce de miroir. Les segments de miroir primaires ont également un actionneur supplémentaire en son centre qui ajuste sa courbure. Le miroir tertiaire du télescope reste fixe.

Lee Feinberg, responsable des éléments du télescope optique Webb à la NASA Goddard, explique : "L'alignement des segments du miroir principal comme s'il s'agissait d'un seul grand miroir signifie que chaque miroir est aligné sur 1/10 000e de l'épaisseur d'un cheveu humain. Ce qui est encore plus étonnant, c'est que les ingénieurs et les scientifiques travaillant sur le télescope Webb ont littéralement dû inventer comment faire cela."

Ces schémas montrent l'arrière des rétroviseurs et les actionneurs. Crédit : USS/NASA

Regardez les actionneurs fixés à l'arrière d'un miroir de télescope dans cette vidéo "Behind the Webb".

Un autre défi consiste à garder le miroir de Webb froid. Pour voir les premières étoiles et galaxies de l'Univers primordial, les astronomes doivent observer la lumière infrarouge émise par celles-ci, et utiliser un télescope et des instruments optimisés pour cette lumière. Parce que les objets chauds émettent de la lumière infrarouge, ou de la chaleur, si le miroir de Webb était à la même température que celui du télescope spatial Hubble, la faible lumière infrarouge des galaxies lointaines serait perdue dans la lueur infrarouge du miroir. Ainsi, Webb doit être très froid ("cryogénique"), avec ses miroirs à environ -220 degrés C (-364 degrés F). Le miroir dans son ensemble doit pouvoir résister à des températures très froides tout en conservant sa forme.

Pour garder Webb froid, il a été envoyé dans l'espace lointain, loin de la Terre. Les pare-soleil protègent les miroirs et les instruments de la chaleur du soleil, tout en les séparant du bus chaud de l'engin spatial.

Webb est ce qu'on appelle un télescope anastigmat à trois miroirs. Dans cette configuration, le miroir primaire est concave, le secondaire est convexe et fonctionne légèrement hors axe. Le tertiaire supprime l'astigmatisme résultant et aplatit également le plan focal. Cela permet également un champ de vision plus large.

Cette animation montre comment la lumière se déplace à travers le télescope.

La NASA a entrepris de rechercher de nouvelles façons de construire des miroirs pour les télescopes. Le programme Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) était un partenariat de quatre ans entre la NASA, le National Reconnaissance Office et l'US Air Force pour étudier les moyens de construire des miroirs légers. Sur la base des études ASMD, deux miroirs de test ont été construits et entièrement testés. L'un a été fabriqué à partir de béryllium par Ball Aerospace ; l'autre a été construit par Kodak (anciennement ITT, aujourd'hui Harris Corporation) et a été fabriqué à partir d'un type de verre spécial.

Une équipe d'experts a été choisie pour tester ces deux miroirs, afin de déterminer leur efficacité, leur coût et la facilité (ou la difficulté) de construire un miroir pleine grandeur de 6,5 mètres. Les experts ont recommandé que le miroir en béryllium soit sélectionné pour le télescope spatial James Webb, pour plusieurs raisons, l'une étant que le béryllium conserve sa forme à des températures cryogéniques. Sur la base de la recommandation de l'équipe d'experts, Northrop Grumman (la société qui a dirigé l'effort de construction de Webb) a sélectionné un miroir en béryllium, et la direction du projet de la NASA Goddard a approuvé cette décision.

Un morceau de béryllium de la taille d'une bille.

Le béryllium est un métal léger (symbole atomique : Be) qui possède de nombreuses caractéristiques qui le rendent souhaitable pour le miroir primaire de Webb. En particulier, le béryllium est très résistant pour son poids et conserve bien sa forme dans une plage de températures. Le béryllium est un bon conducteur d'électricité et de chaleur et n'est pas magnétique.

Parce qu'il est léger et solide, le béryllium est souvent utilisé pour construire des pièces pour les avions supersoniques (plus rapides que la vitesse du son) et la navette spatiale. Il est également utilisé dans des applications plus terre-à-terre comme les ressorts et les outils. Des précautions particulières doivent être prises lorsque vous travaillez avec du béryllium, car il est malsain de respirer ou d'avaler de la poussière de béryllium.

Les 18 miroirs légers spéciaux en béryllium du télescope spatial James Webb ont effectué 14 arrêts dans 11 endroits différents aux États-Unis pour terminer leur fabrication. Ils ont vu le jour dans les mines de béryllium de l'Utah, puis se sont déplacés à travers le pays pour le traitement et le polissage. En fait, les miroirs ont fait des escales dans huit États en cours de route, visitant certains États plus d'une fois, avant de se rendre en Amérique du Sud pour le décollage et le début de leur dernier voyage dans l'espace. Explorez une carte interactive montrant le voyage des miroirs.

L'équipe Brush Wellman et les ébauches de miroirs.

Le béryllium pour fabriquer le miroir de Webb a été extrait dans l'Utah et purifié à Brush Wellman dans l'Ohio. Le type particulier de béryllium utilisé dans les miroirs Webb est appelé O-30 et est une poudre fine. La poudre a été placée dans une boîte en acier inoxydable et pressée en une forme plate. Une fois la cartouche en acier retirée, le morceau de béryllium résultant a été coupé en deux pour faire deux ébauches de miroir d'environ 1,3 mètre (4 pieds) de diamètre. Chaque ébauche de miroir a été utilisée pour fabriquer un segment de miroir ; le miroir complet est composé de 18 segments hexagonaux.

Une fois que les ébauches de miroirs ont passé l'inspection, elles ont été envoyées à Axsys Technologies à Cullman, Alabama. Les deux premières ébauches de miroir ont été achevées en mars 2004.

L'avant d'un blanc de miroir non poli.

Axsys Technologies a façonné les ébauches de miroir dans leur forme finale. Le processus de mise en forme du miroir commence par couper la majeure partie de la face arrière de l'ébauche du miroir en béryllium, ne laissant qu'une fine structure "nervurée". Les côtes ne mesurent qu'environ 1 millimètre (environ 1/25 de pouce) d'épaisseur. Bien que la majeure partie du métal ait disparu, les nervures sont suffisantes pour maintenir la forme du segment stable. Cela rend chaque segment très léger. Un segment de miroir en béryllium a une masse de 20 kilogrammes. (Un ensemble de segment de miroir principal complet, y compris son actionneur, pèse environ 40 kg.)

Sur la photo, l'arrière de l'ébauche du miroir, qui est sculpté dans ce motif pour éclairer le segment du miroir tout en conservant son intégrité. Crédit : Axsys Technologies

Ce film montre les ébauches de miroir fabriquées chez Brush Wellman et façonnées chez Axsys.

Une fois que les segments de miroir ont été façonnés par Axsys, ils ont été envoyés à Richmond, en Californie, où SSG/Tinsley les a polis.

Un miroir d'unité de conception d'ingénierie poli chez SSG / Tinsley.

SSG/Tinsley a commencé par meuler la surface de chaque miroir près de sa forme finale. Après cela, les miroirs ont été soigneusement lissés et polis. Le processus de lissage et de polissage a été répété jusqu'à ce que chaque segment de miroir soit presque parfait. À ce moment-là, les segments se sont rendus au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville (MSFC), en Alabama, pour des tests cryogéniques.

Étant donné que de nombreux matériaux changent de forme lorsqu'ils changent de température, une équipe de test de Ball Aerospace a travaillé avec des ingénieurs de la NASA au Marshall's X-ray and Cryogenic Facility (XRCF) pour refroidir les segments de miroir jusqu'à la température que Webb connaît dans l'espace lointain, -400 degrés Fahrenheit (-240 degrés Celsius).

Les tests cryogéniques des segments de miroir primaires ont commencé au XRCF de Marshall par Ball Aerospace en 2009.

Les miroirs polis de Webb sont testés à des températures cryogéniques dans une installation de la NASA Marshall.

Voir plus d'images des tests cryogéniques.

Le changement de forme du segment de miroir dû à l'exposition à ces températures cryogéniques a été enregistré par Ball Aerospace Engineers à l'aide d'un interféromètre laser. Ces informations, ainsi que les miroirs, sont retournés en Californie pour le polissage final de la surface à Tinsley. Le polissage final des miroirs a été achevé en juin 2011.

Cette courte vidéo montre une partie du processus de polissage miroir.

Apprenez-en plus sur la façon dont les segments de miroir sont polis dans ce podcast vidéo "Behind the Webb".

Une fois que la forme finale d'un segment de miroir est corrigée pour tout effet d'imagerie dû aux températures froides et que le polissage est terminé, une fine couche d'or est appliquée. L'or améliore la réflexion du miroir de la lumière infrarouge.

Quelques détails techniques : Comment l'or est-il appliqué sur les miroirs ? La réponse est le dépôt en phase vapeur sous vide. Quantum Coating Incorporated a réalisé les revêtements sur nos miroirs de télescope. Essentiellement, les miroirs sont placés à l'intérieur d'une chambre à vide et une petite quantité d'or est vaporisée et se dépose sur le miroir. Les zones que nous ne voulons pas enduire (comme l'arrière et tous les mécanismes et autres) sont masquées. L'épaisseur typique de l'or est de 1000 Angströms (100 nanomètres). Une fine couche de SiO2 amorphe (verre) est déposée sur le dessus de l'or pour le protéger des rayures en cas de manipulation ou si des particules arrivent en surface et se déplacent (l'or est pur et très doux).

Cette vidéo Behind the Webb traite du revêtement miroir.

Photos des miroirs de Webb.

Le segment de miroir principal de l'unité de conception technique (vol de rechange) recouvert d'or par Quantum Coating Incorporated. Photo par Drew Noel.

Le miroir secondaire a subi un processus similaire - le voici après avoir été recouvert d'or par Quantum Coating Incorporated.

Dans cette vidéo, vous pouvez suivre le parcours du miroir depuis le minerai brut jusqu'aux segments dorés réfléchissants avec précision.

Une fois le revêtement d'or appliqué, les miroirs sont de nouveau retournés au Marshall Space Flight Center pour une vérification finale de la forme de la surface du miroir à des températures cryogéniques. Les segments de miroir étaient maintenant terminés. Ensuite, ils se sont rendus au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

Les deux premiers miroirs de vol sont arrivés à la NASA Goddard en septembre 2012. À la fin de 2013, tous les segments de miroirs primaires de vol, ainsi que les miroirs secondaires et tertiaires seraient à Goddard. Les miroirs ont été stockés dans des boîtes de protection spéciales dans la salle blanche, en attendant l'arrivée de la structure du télescope de vol.

Les ingénieurs inspectent l'un des deux premiers miroirs de vol à arriver à la NASA Goddard.

Cartouches de rétroviseurs de vol stockées à Goddard.

La structure du télescope de vol (essentiellement les os du télescope, sur lesquels les miroirs seraient montés) a été expédiée de Northrop Grumman et est arrivée à la NASA Goddard en août 2015. Elle a été déplacée vers le stand d'assemblage en novembre 2015. Le 22 novembre 2015, le premier miroir a été installé.

Ici, la structure du télescope de vol est soulevée dans la salle blanche de la NASA Goddard.

La structure du télescope de vol se trouve dans le stand d'assemblage de la NASA Goddard, prête pour l'assemblage du miroir.

A noter que pour protéger les rétroviseurs lors du montage, ils ont été équipés de caches noirs légers, qui ont été retirés une fois le rétroviseur entièrement assemblé.

Cette vidéo accélérée montre l'assemblage du miroir principal de Webb.

Une vidéo sur l'achèvement du miroir principal de Webb.

Le dernier miroir a été installé en février 2016. Peu de temps après, les capots de protection ont été retirés et le miroir complet a été révélé.

Une fois les miroirs terminés, les instruments scientifiques ont été intégrés au télescope. Pendant son séjour à Goddard, le télescope a également subi des tests environnementaux - à la fois acoustiques et vibratoires - pour s'assurer qu'il serait capable de résister aux rigueurs du lancement. Une fois terminé avec succès, le télescope a été envoyé à la NASA Johnson à Houston, au Texas, pour des tests de l'optique et des instruments à des températures cryogéniques. La chambre A de la NASA Johnson est la seule chambre à vide thermique de la NASA suffisamment grande pour Webb !

Une fois que le télescope a atteint l'orbite, les ingénieurs sur Terre ont apporté des ajustements/corrections au positionnement des segments de miroir primaires du télescope Webb pour les aligner - pour s'assurer qu'ils produiraient des images nettes et focalisées.

Ces corrections ont été apportées grâce à un processus appelé détection et contrôle du front d'onde, qui aligne les miroirs à quelques dizaines de nanomètres près. Au cours de ce processus, un capteur de front d'onde (NIRCam dans ce cas) a mesuré toutes les imperfections dans l'alignement des segments de miroir qui les empêchaient d'agir comme un seul miroir de 6,5 mètres (21,3 pieds). Les ingénieurs ont utilisé NIRCam pour prendre 18 images floues d'une étoile - une de chaque segment de miroir. Les ingénieurs ont ensuite utilisé des algorithmes informatiques pour déterminer la forme globale du miroir primaire à partir de ces images individuelles et ont déterminé comment ils devaient déplacer les miroirs pour les aligner.

Cette vidéo décrit le processus d'alignement du miroir.

Les ingénieurs ont testé ce processus d'alignement dans l'environnement cryogénique sous vide de la chambre A du Johnson Space Center de la NASA pendant environ 100 jours d'essais cryogéniques. L'environnement de la chambre simule l'environnement spatial glacial où Webb opère et où il collecte des données sur des parties de l'univers jamais observées auparavant. À l'intérieur de la chambre, les ingénieurs ont alimenté la lumière laser dans et hors du télescope, agissant comme une source d'étoiles artificielles. Le test a vérifié que l'ensemble du télescope, y compris ses optiques et ses instruments, fonctionnait correctement dans cet environnement froid et garantissait que le télescope fonctionnerait correctement dans l'espace.

Webb assis à l'intérieur de la chambre A après avoir terminé les tests cryogéniques.

Après avoir réussi ses tests à la NASA Johnson, Webb et ses miroirs ont déménagé à Northrop Grumman, où le télescope a été couplé avec le pare-soleil et le bus spatial.