Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

MIRI sur le James Webb Space Telescope

mardi 26 janvier 2021, par Anthony Boccaletti

Le LESIA a contribué à l’étude et à la réalisation d’un ensemble de coronographes stellaires installés dans l’instrument moyen-infrarouge du télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope) et destinés principalement à l’imagerie des systèmes exoplanétaires.

Le télescope spatial JWST

Vue d'artiste du télescope JWST déployé
Vue d’artiste du télescope JWST déployé

Vue du miroir du JWST partiellement déployé dans le hall d'intégration
Vue du miroir du JWST partiellement déployé dans le hall d’intégration

Crédits NASA


Le James Webb Space Telescope est un observatoire spatial, c’est à dire un télescope équipé de plusieurs instruments d’imagerie ou de spectroscopie permettant de couvrir une gamme spectrale très large du visible (0.6 micron) jusqu’à l’infrarouge moyen (28 microns). Le JWST possède un miroir de 6.6m segmenté et déployable. Le satellite décrira une orbite autour du point de Lagrange L2, situé à 1.5 millions de km de la Terre dans la direction anti-solaire. Le lancement du JWST est actuellement prévu en octobre 2021.

Contrairement au Hubble Space Telescope, le JWST est optimisé pour l’infrarouge, ce qui lui permettra par exemple d’observer les premières galaxies de l’Univers, de comprendre la naissance des étoiles et d’étudier les atmosphères d’exoplanètes. Il inclut quatre instruments dont l’instrument européen MIRI (Mid-IR Instrument) qui observe dans la bande spectrale de 5 à 28 microns.


Position du point de Lagrange L2
Position du point de Lagrange L2

Disposition des points de Lagrange du système Soleil-Terre
Disposition des points de Lagrange du système Soleil-Terre

L’instrument MIRI

MIRI est un ensemble comprenant un imageur grand champ, des coronographes, un spectromètre basse résolution et un spectromètre moyenne résolution intégral de champ. L’instrument a été développé à travers un partenariat entre la NASA et l’ESA. Le consortium européen est responsable de toute la partie opto-mécanique, alors que la NASA a fourni les détecteurs infrarouges. L’équipe française est dirigée par le CEA/Saclay, auquel s’ajoute l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) à Orsay, le LESIA, et le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM). Le financement est assuré par le CNES.

Dernière inspection de MIRIM, l'imageur de MIRI sur le JWST
Dernière inspection de MIRIM, l’imageur de MIRI sur le JWST

Crédit photo : CEA/SAp

Les coronographes de phase

Notre équipe au LESIA avait en charge la fourniture des coronographes et la définition du programme d’imagerie d’exoplanètes. La fonction d’un coronographe est d’atténuer ou de supprimer le flux d’un objet très brillant (une étoile par exemple) afin d’observer son environnement proche peu lumineux (une exoplanète par exemple). La séparation angulaire entre une étoile et son système planétaire étant très petite, l’utilisation de coronographes classiques à pastille de Lyot n’est pas adaptée. Une nouvelle génération de coronographes de phase à 4 quadrants a été mise au point et étudiée par une équipe de chercheurs menée par D. Rouan. Ces coronographes appelés 4QPM (Four-Quadrant Phase Masks) permettent d’atténuer le flux de l’étoile et d’observer des objets angulairement très proches. En centrant l’image d’une étoile sur un 4QPM, l’énergie diffractée est rejetée en dehors de la pupille géométrique du système. Un diaphragme placé dans le plan pupille permet de bloquer le flux de l’étoile. En revanche une planète angulairement proche de l’étoile ne sera pas centrée sur le 4QPM et ne subira pas cet effet. Une grande partie de son flux passera par la pupille géométrique sans être bloquée par le diaphragme.

L’imageur MIRIM comprend un ensemble de quatre coronographes permettant l’étude :

Plan focal (à gauche) supportant les 4 masques coronographiques (3 masques (...)
Plan focal (à gauche) supportant les 4 masques coronographiques (3 masques de phase 4QPM et un masque de Lyot), et diaphragme (à droite)

Plan focal de l'imageur MIRIM sur le JWST
Plan focal de l’imageur MIRIM sur le JWST

Les coronographes sont situés au plan focal du JWST, à l’entrée de l’instrument MIRIM. Ils sont composés de 3 masques de phase monochromatiques type 4QPM et d’un masque de Lyot. Les 3 masques de phase fonctionnent à 10.65 microns, 11.4 microns et 15.5 microns respectivement alors que le masque de Lyot fonctionne à 23 microns. L’ensemble des masques coronographiques est intégré dans une structure mécanique unique. Pour éliminer la diffraction résiduelle après les masques coronographiques, des diaphragmes sont associés à chaque masque et positionnés en pupille dans la roue à filtre de MIRIM. 

Performances attendues

L’équipe du LESIA a développé un simulateur numérique des coronographes de MIRI permettant d’évaluer les performance de l’instrument. On montre ci-dessous des images simulées de quelques systèmes exoplanétaires emblématiques (HR8799, GJ 504, AU Mic). Ces simulations donnent également une estimation du contraste que l’on pourra atteindre autour de l’étoile pour chercher de nouvelles planètes.

Simulations du système HR8799.
Simulations du système HR8799.

L’étoile est entourée de 4 planètes géantes (seulement 3 sont visibles ici, HR8799 b, c et d). Boccaletti et al. 2015

Simulations du système Gj 504.
Simulations du système Gj 504.

L’étoile est entourée d’une naine brune (Gj 504b). Boccaletti et al. 2015

Simulation du système AU Microscopii, entouré d'un disque de poussières
Simulation du système AU Microscopii, entouré d’un disque de poussières

Boccaletti et al. 2015

Contraste à 11.40 microns pour une étoile G0V
Contraste à 11.40 microns pour une étoile G0V

Contraste par rapport à l’étoile et en fonction de la séparation. Le niveau attendu est indiqué par la courbe en tirets rouges. Les niveaux de contraste pour différentes types planètes est matérialisé par des croix de différentes couleurs en fonction de leur taille/température.

Personnels LESIA impliqués

Nom Responsabilité
Anthony Boccaletti Responsable scientifique
Jean-Michel Reess Chef de projet
Pierre Baudoz Scientifique
Daniel Rouan Scientifique
Jacques Baudrand Optique
Olivier Dupuis Mécanique et intégration
Napoléon Nguyen Tuong Mécanique
Jérôme Parisot Bancs de tests
Claude Collin Réalisation mécanique
Christine Balsamo Administration et commandes

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