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Le plus froid des instruments de James Webb approche la température du zéro absolu

Avant de percer les secrets de notre Univers, le télescope spatial James Webb (JWST) doit laisser ses instruments refroidir suffisamment. Une nouvelle étape a été franchie le 7 avril 2022, a annoncé la Nasa le 13 avril : l'instrument le plus froid de l'observatoire a atteint sa température de fonctionnement, en dessous de -266°C.

L'instrument en question est baptisé MIRI, pour « Mid-Infrared Instrument » (« instrument pour l'infrarouge moyen »). Cette caméra est le seul instrument du JWST capable d'observer dans l'infrarouge moyen. MIRI a été développé par la Nasa et l'ESA (l'Agence spatiale européenne). Pour fonctionner correctement, il était prévu que cet instrument atteigne une température finale en dessous de 7 kelvins -- soit environ -266°C.

Cette température extrêmement froide l'amène de fait non loin du zéro absolu, qui est fixé à -273,15°C. Cette température est la plus basse qui puisse exister dans tout l'Univers. Elle ne peut être qu'approchée. Ce seuil correspond d'ailleurs au zéro de l'échelle Kelvin. Il s'avère que la température moyenne de l'Univers est elle-même très basse, à -270,45 °C.

Comment l'instrument MIRI a-t-il été autant refroidi ?

C'est dans l'ombre du bouclier thermique que MIRI et les trois autres instruments de James Webb ont pu commencer à refroidir progressivement dans l'espace. Cela a permis dans un premier temps à MIRI d'atteindre une température de -183°C. Mais ce n'était pas encore suffisant. Il a fallu prévoir un cryoréfrigérateur électrique pour aider MIRI à passer sous la barre des 7 kelvins. Une étape difficile a été franchie lorsque MIRI est passé de -258°C (15 kelvins) à -267°C (6,4 kelvins) : la Nasa et l'ESA parlent de « point de pincement ».

S'il est indispensable de plonger les instruments de James Webb dans le froid, c'est parce qu'ils sont tous destinés à la détection de lumière infrarouge. Les galaxies éloignées, les étoiles et les exoplanètes émettent ce type de lumière, mais pas seulement : des objets chauds produisent de la lumière infrarouge... dont le matériel du JWST. Faire baisser la température des instruments supprime ses émissions, qui pourraient gêner les observations.

MIRI est par ailleurs un instrument très sensible à ce que la Nasa nomme le « courant d'obscurité », qui peut être une source de bruit dans les capteurs et brouiller les véritables signaux recherchés par les astronomes. C'est « un courant électrique créé par la vibration des atomes dans les détecteurs eux-mêmes ». Abaisser la température atténue les vibrations de ces atomes, et diminue donc le courant d'obscurité.

L'instrument MIRI n'est pas encore tout à fait prêt. Il va désormais falloir prendre des images d'objets célestes, comme des étoiles, pour étalonner l'instrument et vérifier qu'il est fonctionnel. Parallèlement, l'étalonnage des trois autres instruments continue. Les premières observations scientifiques de James Webb doivent avoir lieu à l'été 2022.