Après le dîner de Noël 2021, notre famille était collée à la télévision et regardait le lancement passionnant des 10 milliards de dollars de la NASA Télescope spatial James Webb. Il n’y avait pas eu un tel bond en avant dans la technologie des télescopes depuis Hubble a été lancé en 1990.
En route vers son déploiement, Webb a dû naviguer avec succès 344 points de défaillance potentiels. Heureusement, le lancement s’est déroulé mieux que prévuet nous pourrions enfin respirer à nouveau.
Nous utiliserions le mode de résolution la plus élevée de Webb, appelé interféromètre à masquage d’ouverture ou AMI pour faire court. C’est un petit morceau de métal usiné avec précision qui s’insère dans une des caméras du télescopeaméliorant sa résolution.
Nos résultats sur les tests minutieux et l’amélioration d’AMI sont maintenant publiés sur l’archive en libre accès arXiv. en paire de papiers. Nous pouvons enfin présenter ses premières observations réussies d’étoiles, de planètes, de lunes et même jets de trous noirs.
Travailler avec un instrument à des millions de kilomètres
Hubble a commencé sa vie en voyant flou — son miroir avait été meulé 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 requise sept astronautes s’envoleront 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 de là : 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.
C’était un dealbreaker pour voir des planètes lointaines plusieurs milliers de fois plus faibles que leurs étoiles à quelques pixels : mes collègues a rapidement montré que ses limites étaient plus de dix fois pires que celles espérées.
Nous avons donc décidé de le corriger.
Comment nous avons affiné la vision de Webb
Dans un nouveau papier dirigé par un doctorant de l’Université de Sydney Louis Desdoigtsnous 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 sur les formes des miroirs et des ouvertures et sur les couleurs des étoiles.
Nous avons connecté cela à un modèle d’apprentissage automatique pour représenter l’électronique avec un « modèle de détecteur efficace » – où 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 papier d’accompagnement par l’Université de Sydney Max Charles, doctorantnous 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 images provenant de télescopes beaucoup plus grands.
Enfin, AMI peut résoudre avec précision un ruban de poussière autour d’une paire d’étoiles appelée WR 137, une faible cousine de le spectaculaire système Apeps’alignant sur la théorie.
Le code construit pour AMI est une démo pour des caméras beaucoup plus complexes sur Webb et son suivi, 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.
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