L’espace n’est pas difficile seulement à cause de la science des fusées. La tâche de mener une mission de la NASA depuis son développement et son financement jusqu’à sa construction et son lancement – avant même de l’utiliser à des fins scientifiques – peut prendre des décennies. Des carrières entières ont été consacrées à mettre un seul satellite en orbite. Le physicien de la NASA, John Mather, lauréat du prix Nobel, a déjà contribué à l’envoi de deux satellites dans l’espace.
Dans leur nouveau livre, « Inside the Star Factory: The Creation of the James Webb Space Telescope, NASA’s Largest and Most Powerful Space Observatory », l’auteur Christopher Wanjek et le photographe Chris Gunn emmènent les lecteurs en coulisses du parcours du télescope spatial James Webb, de sa conception à son orbite. Ils explorent la technologie d’imagerie révolutionnaire qui nous permet de scruter plus profondément l’univers primordial que jamais auparavant, tout en dressant le portrait des chercheurs, conseillers, gestionnaires, ingénieurs et techniciens qui ont rendu cela possible au cours de trois décennies d’efforts. Dans cet extrait de « Hitting the Books » de cette semaine, nous nous intéressons au scientifique du projet JWST, John Mather, et à son propre parcours improbable, de la campagne rurale du New Jersey à la NASA.
John Mather, scientifique du projet – La main sûre aux commandes
John Mather est un homme patient. Son prix Nobel de physique en 2006 a été le fruit de trente années de travail. Cette récompense, pour des preuves irréfutables du Big Bang, s’appuyait sur une machine de la taille d’un bus appelée COBE, une autre mission de la NASA qui aurait presque pu ne jamais voir le jour. Des problèmes de conception ? Il en a connu. Des retards imprévus ? Il en a fait face. Que la NASA choisisse Mather comme scientifique du projet JWST relevait de la pure prescience.
Comme Webb, COBE – le Cosmic Background Explorer – devait être une machine à remonter le temps pour révéler un instantané de l’univers primordial. L’ère ciblée était à peine 370 000 ans après le Big Bang, lorsque l’univers était encore un brouillard de particules élémentaires sans structure discernable. C’est ce qu’on appelle l’époque de la recombinaison, lorsque l’univers chaud s’est refroidi suffisamment pour permettre aux protons de se lier aux électrons pour former les tout premiers atomes, principalement de l’hydrogène avec une touche d’hélium et de lithium. Au fur et à mesure que les atomes se formaient, le brouillard se dissipait et l’univers devenait clair. La lumière a percé. Cette lumière ancienne, issue du Big Bang lui-même, est encore présente aujourd’hui sous forme de rayonnement micro-onde résiduel appelé le fond diffus cosmologique.
Grand mais jamais imposant, exigeant mais jamais méchant, Mather est un mélange de contrastes. Il a passé son enfance à seulement un mile du sentier des Appalaches dans le comté rural de Sussex, dans le New Jersey, où ses amis étaient préoccupés par des tâches terrestres telles que les travaux agricoles. Pourtant, Mather, dont le père était spécialiste de l’élevage et des statistiques animales, était plus intrigué par la science et les mathématiques. À l’âge de six ans, il a compris le concept d’infini lorsqu’il a rempli une page de son cahier avec un nombre très élevé et a réalisé qu’il pouvait continuer indéfiniment. Il se chargeait de livres auprès d’une bibliothèque mobile qui visitait les fermes toutes les deux semaines. Son père travaillait pour l’Expériment Station d’Agriculture de l’Université Rutgers et disposait d’un laboratoire sur la ferme avec un équipement radio-isotopique pour l’étude du métabolisme et des réservoirs d’azote liquide contenant du sperme de taureau congelé. Son père a également été l’un des premiers utilisateurs d’ordinateurs de la région, vers 1960, en maintenant des registres de production laitière pour 10 000 vaches sur des cartes perforées IBM. Sa mère, enseignante en école primaire, était aussi très cultivée et a encouragé l’intérêt du jeune John pour la science.
Finalement, c’est la perspective d’un climat chaud toute l’année qui a amené Mather en 1968 à l’Université de Californie, à Berkeley, pour des études supérieures en physique. Il s’est retrouvé dans un groupe intrigué par le fond diffus cosmologique nouvellement détecté, découvert par accident en 1965 par les astronomes radio Arno Penzias et Robert Wilson. Son directeur de thèse a conçu une expérience en ballon pour mesurer le spectre, ou la couleur, de ce rayonnement afin de vérifier s’il provenait vraiment du Big Bang (ce qui s’est avéré être le cas). La prochaine étape évidente était de cartographier cette lumière pour voir, comme le suggère la théorie, si la température variait légèrement à travers le ciel. Et des années plus tard, c’est exactement ce qu’il et son équipe de COBE ont découvert : une anisotropie, une distribution inégale de l’énergie. Ces fluctuations de température à l’échelle du micro-degré impliquent des fluctuations de densité de matière, suffisantes pour arrêter l’expansion, du moins localement. Sous l’influence de la gravité, la matière se regrouperait en lacs cosmiques pour former des étoiles et des galaxies des centaines de millions d’années plus tard. En quelque sorte, Mather et son équipe ont capturé une échographie de l’univers enfant.
Cependant, la mission COBE, comme Webb, a été confrontée à des revers. Mather et son équipe ont proposé le concept de la mission (pour la deuxième fois) en 1976. La NASA a accepté la proposition, mais a déclaré cette année-là que ce satellite et la plupart des autres seraient livrés en orbite par la navette spatiale, qui était elle-même encore en développement. L’histoire révélerait l’absurdité d’un tel plan. Mather l’a compris immédiatement. Cela a lié la conception de COBE à la soute de la navette spatiale qui n’était pas encore construite. Les ingénieurs devaient respecter des exigences précises de masse et de volume pour un vaisseau qui n’avait pas encore volé. Plus problématique encore, COBE nécessitait une orbite polaire, ce qui était difficile à réaliser avec la navette spatiale. L’équipe de COBE a ensuite dû faire face à des coupes budgétaires et à des compromis dans la conception de COBE en raison des dépassements de coûts d’une autre mission pionnière en sciences spatiales, le Satellite Astronomique Infrarouge, ou IRAS. Malgré tout, le travail fastidieux de conception d’instruments suffisamment sensibles pour détecter des variations de température à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, soit environ -270°C, a continué à partir de 1980. Mather a été absorbé par la création de COBE jour après jour. L’équipe a dû prendre des raccourcis et prendre des décisions risquées pour respecter le budget. La nouvelle est arrivée que COBE devait être lancé lors de la mission STS-82-B de la navette spatiale en 1988 depuis la base de l’US Air Force de Vandenberg. Tout était prêt.
Puis la navette spatiale Challenger a explosé en 1986, tuant les sept membres de son équipage. La NASA a suspendu les vols de la navette indéfiniment. COBE, maintenant lié aux spécifications de la navette spatiale, ne pouvait pas être lancé avec n’importe quel autre système de fusée. COBE était trop grand pour une fusée Delta à ce stade ; ironiquement, Mather avait la Delta en tête dans son premier croquis en 1974. L’équipe s’est tournée vers l’Europe pour un lanceur, mais cela était à peine une option pour la NASA. Au lieu de cela, les responsables du projet ont conduit une refonte pour réduire le poids de plusieurs centaines de livres, afin de se conformer à une masse de lancement de 5000 livres, carburant compris, qui serait à peine dans les limites d’une Delta de quelques livres. Oh, et McDonnell Douglas a dû construire une fusée Delta à partir de pièces de rechange, ayant été contraint d’arrêter la série au profit de la navette spatiale.
L’équipe a travaillé jour et nuit au cours des deux années suivantes. Le dernier défi de conception était… attendez… un bouclier solaire qui devait maintenant être replié dans la fusée et relâché par ressort une fois en orbite, une approche novatrice. COBE a reçu le feu vert pour être lancé depuis la base de l’US Air Force de Vandenberg en Californie, le site initialement souhaité car il offrait un accès plus facile à une orbite polaire par rapport à un lancement de la navette spatiale depuis la Floride. Le lancement était prévu pour novembre 1989. COBE a été livré plusieurs mois avant.
Puis, le 17 octobre, le sol californien a tremblé violemment. Un séisme de magnitude 6,9 a frappé le comté de Santa Cruz, causant d’importants dégâts aux structures. Vandenberg, à environ 200 miles au