La caméra Mirim prête à intégrer le télescope spatial James Webb et à explorer une partie de l’Univers inconnue jusqu’ici

Le modèle final de l’imageur Mirim (Mid InfraRed IMager ou Imageur pour l’InfraRouge Moyen) qui équipera le télescope spatial James Webb (JWST), le successeur de Hubble dont le lancement est prévu mi-2014, vient d’être livré par le CEA. Le CNES, le CNRS, l’Observatoire de Paris, l’Université Paris Diderot, l’UPMC, l’Université Paris-Sud 11 et l’Université de Provence ont participé à la réalisation de Mirim qui en recueillant le rayonnement du cosmos dans l’infrarouge moyen (de 5 à 27 micromètres de longueur d’onde), contribuera à l’exploration d’une partie de l’Univers jusqu’à présent « terra incognita » : la sortie de « l’âge sombre », il y a plus de 13 milliards d’années. Il permettra également aux astrophysiciens d’avancer leurs recherches dans de nombreux domaines, et, notamment, dans l’étude des exoplanètes grâce à un dispositif très novateur : le coronographe à masque de phase.

Dessin d'artiste du futur télescope spatial James Webb. © Northrop Grumman Space Technology

La livraison du modèle de vol, c’est-à-dire de la dernière version de l’instrument, celle qui sera réellement envoyée dans l’espace, est la fin d’un long processus qui a nécessité plusieurs centaines de milliers d’heures de travail et mobilisé des ingénieurs et des techniciens du CEA Irfu et de trois autres laboratoires français, à savoir le LESIA (2) (Observatoire de Paris / CNRS / UPMC / Université Paris Diderot), l’IAS (3) (CNRS / Université Paris-Sud 11, OSU-INSU) à Orsay et le LAM (4) (CNRS / Université de Provence, OAMP-INSU) à Marseille. Ainsi, avant d’arriver à l’instrument final, trois prototypes de la caméra Mirim ont été nécessaires pour s’assurer de la fiabilité du modèle de vol. Ce dernier devra en effet répondre parfaitement aux contraintes spécifiques du spatial, telles que les importantes vibrations lors du lancement ou la très basse température de fonctionnement (la caméra opérera à la température de -266°C).

Mirim est dotée de trois modes d’observation :
–    le mode « imagerie », pour photographier le ciel à diverses longueurs d’onde grâce à 12 filtres interchangeables ;
–    le mode « spectrographie », décomposant la lumière afin d’y rechercher la signature d’éléments et de molécules cosmiques ;
–    le mode « coronographie », permettant, grâce à un procédé original, « d’éteindre » la lumière d’une étoile pour observer son voisinage. Ce dispositif a été conçu et développé sous la responsabilité du LESIA.

« A l’aide des deux premiers modes, « imagerie » et « spectrographie », la caméra Mirim participera à l’objectif principal du JWST qui consiste à explorer l’Univers tel qu’il était il y a  plus de 13 milliards d’années, au moment où se sont formés les tout premiers objets lumineux », affirme Pierre-Olivier Lagage du Laboratoire AIM  Paris-Saclay (5) (CEA-Irfu / Université Paris Diderot / CNRS), responsable scientifique du projet Mirim. «Elle devrait notamment permettre des découvertes majeures dans l’étude de la formation des galaxies et des étoiles », précise-t-il.
Enfin, le mode « coronographie » répondra à l’objectif de recherche de planètes lointaines. « Le coronographe à masque de phase donnera à la caméra la possibilité de discerner plus facilement les planètes proches d’étoiles, habituellement masquées par la lumière de ces dernières », indique Daniel Rouan, responsable scientifique de ce mode de fonctionnement au LESIA. Cette technique très particulière d’extinction de la lumière d’une étoile, sera ainsi mise en œuvre pour la première fois dans l’espace.

Début 2011, MIRI sera livré à la Nasa pour intégration au télescope spatial JWST.

Le mode d’observation coronographique à masque de phase :
Permettant d’étudier les alentours proches des étoiles ou des trous noirs géants présents au centre des galaxies, le mode d’observation coronographique sera notamment utilisé pour la recherche et la caractérisation de planètes et de disques de matière autour des étoiles. Il a nécessité? la fabrication par le CEA-Iramis  de composants optiques spécifiques introuvables dans l’industrie, en particulier de blocs monocristallins de germanium, un semi-conducteur transparent pour le rayonnement infrarouge. Ces blocs, des parallélépipèdes aux faces rigoureusement planes, ont été gravés de façon très précise selon quatre quadrants avec une différence d’épaisseur de quelques micromètres seulement. Le très léger décalage ainsi créé sur l’axe optique « atténue » très fortement la lumière stellaire. Conçue par le LESIA, la technique de « coronographie à masque de phase », atténue ainsi d’un facteur 200 la puissante lumière d’une étoile sans affecter le faible éclat d’objets lumineux autour. Les essais réalisés au CEA-Irfu avant la livraison ont prouvé l’efficacité de ce procédé novateur que quelques équipes seulement maîtrisent dans le monde.
 
Pour voir l’animation de « l’extinction » d’une étoile dans le coronographe :
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Video/index.php?id=55

Pour en savoir plus sur la technique unique de coronographe à très haute dynamique :
http://www.lesia.obspm.fr/MIRI-sur-JWST.html