Après le dîner de Noël 2021, notre famille était collée à la télévision, regardant le lancement palpitant du télescope spatial James Webb de la NASA, d'une valeur de 10 milliards de dollars américains (15 milliards de dollars australiens). Il n’y avait pas eu un tel bond en avant dans la technologie des télescopes depuis le lancement de Hubble en 1990.
En route vers son déploiement, Webb a dû surmonter avec succès 344 points de défaillance potentiels. Heureusement, le lancement s’est mieux passé que prévu et nous avons enfin pu respirer à nouveau.
Six mois plus tard, les premières images de Webb étaient révélées, des galaxies les plus lointaines jamais observées. Cependant, pour notre équipe en Australie, le travail ne faisait que commencer.
Nous utiliserions le mode de résolution la plus élevée de Webb, appelé interféromètre à masquage d'ouverture ou AMI en abrégé. Il s'agit d'un petit morceau de métal usiné avec précision qui s'insère dans l'une des caméras du télescope, améliorant ainsi sa résolution.
Nos résultats sur les tests minutieux et l'amélioration d'AMI sont désormais publiés dans les archives en libre accès. arXiv dans une paire de papiers. Nous pouvons enfin présenter ses premières observations réussies d’étoiles, de planètes, de lunes et même de jets de trous noirs.
Travailler avec un instrument à un million de kilomètres
Hubble a commencé sa vie en voyant flou : son miroir avait été rectifié avec précision, mais incorrectement. En regardant les étoiles connues et en comparant les images idéales et mesurées (exactement comme le font les optométristes), il a été possible de trouver une « prescription » pour cette erreur optique et de concevoir une lentille pour compenser.
La correction a nécessité le vol de sept astronautes à bord de la navette spatiale Endeavour en 1993 pour installer la nouvelle optique. Hubble orbite autour de la Terre à seulement quelques centaines de kilomètres au-dessus de la surface et peut être atteint par les astronautes.
En revanche, Webb se trouve à environ 1,5 million de kilomètres : nous ne pouvons pas le visiter ni l'entretenir, et devons être en mesure de résoudre les problèmes sans modifier le matériel.
C'est là qu'AMI entre en jeu. Il s'agit du seul matériel australien embarqué, conçu par l'astronome Peter Tuthill.
Il a été confié à Webb pour diagnostiquer et mesurer tout flou dans ses images. Même des nanomètres de distorsion dans les 18 miroirs primaires hexagonaux de Webb et dans de nombreuses surfaces internes rendront les images suffisamment floues pour gêner l'étude des planètes ou des trous noirs, où la sensibilité et la résolution sont essentielles.
AMI filtre la lumière avec un motif de trous soigneusement structuré dans une simple plaque métallique, pour permettre de déterminer plus facilement s'il y a des désalignements optiques.
Chasse aux pixels flous
Nous voulions utiliser ce mode pour observer les lieux de naissance des planètes, ainsi que la matière aspirée dans les trous noirs. Mais avant tout cela, AMI a montré que Webb ne fonctionnait pas entièrement comme espéré.
À une résolution très fine – au niveau des pixels individuels – toutes les images étaient légèrement floues en raison d'un effet électronique : des pixels plus clairs s'infiltraient dans leurs voisins plus sombres.
Il ne s’agit pas d’une erreur ou d’un défaut, mais d’une caractéristique fondamentale des caméras infrarouges qui s’est avérée étonnamment grave pour Webb.
Ce fut un obstacle pour voir des planètes lointaines des milliers de fois plus faibles que leurs étoiles situées à quelques pixels de distance : mes collègues ont rapidement montré que ses limites étaient plus de dix fois pires qu'espérées.
Nous avons donc décidé de le corriger.
Comment nous avons affiné la vision de Webb
Dans un nouvel article dirigé par le Ph.D. de l’Université de Sydney. étudiant Louis Desdoigts, nous avons observé les étoiles avec AMI pour apprendre et corriger simultanément les distorsions optiques et électroniques.
Nous avons construit un modèle informatique pour simuler la physique optique d'AMI, avec une flexibilité quant aux formes des miroirs et des ouvertures ainsi qu'aux couleurs des étoiles.
Nous avons connecté cela à un modèle d'apprentissage automatique pour représenter l'électronique avec un « modèle de détecteur efficace », dans lequel nous nous soucions uniquement de la manière dont il peut reproduire les données, pas de pourquoi.
Après entraînement et validation sur certaines étoiles de test, cette configuration nous a permis de calculer et d'annuler le flou dans d'autres données, redonnant ainsi à AMI toutes ses fonctions. Cela ne change pas ce que Webb fait dans l'espace, mais corrige plutôt les données pendant le traitement.
Cela a fonctionné à merveille : l'étoile HD 206893 héberge une planète faible et la naine brune la plus rouge connue (un objet entre une étoile et une planète). Ils étaient connus mais hors de portée de Webb avant d'appliquer cette correction. Désormais, les deux petits points apparaissent clairement sur nos nouvelles cartes du système.
Cette correction a ouvert la porte à l’utilisation d’AMI pour prospecter des planètes inconnues à des résolutions et sensibilités auparavant impossibles.
Cela ne fonctionne pas seulement sur les points
Dans un article complémentaire du doctorat de l'Université de Sydney. étudiant Max Charles, nous avons appliqué cela non seulement à l'observation de points, même si ces points sont des planètes, mais aussi à la formation d'images complexes à la plus haute résolution réalisée avec Webb. Nous avons revisité des cibles bien étudiées qui repoussent les limites du télescope, en testant ses performances.
Avec la nouvelle correction, nous avons mis au point la lune Io de Jupiter, suivant clairement ses volcans pendant sa rotation sur un timelapse d'une heure.
Comme l'a vu AMI, le jet lancé depuis le trou noir au centre de la galaxie NGC 1068 correspondait étroitement aux images de télescopes beaucoup plus grands.
Enfin, AMI peut résoudre avec précision un ruban de poussière autour d'une paire d'étoiles appelée WR 137, un faible cousin du spectaculaire système Apep, ce qui correspond à la théorie.
Le code construit pour AMI est une démonstration pour des caméras beaucoup plus complexes sur Webb et son suivi, le télescope spatial romain. Ces outils exigent un étalonnage optique si fin qu'il ne représente qu'une fraction de nanomètre, au-delà de la capacité de tous les matériaux connus.
Nos travaux montrent que si nous pouvons mesurer, contrôler et corriger les matériaux avec lesquels nous devons travailler, nous pouvons encore espérer trouver des planètes semblables à la Terre aux confins de notre galaxie.
