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Dans les coulisses des données du télescope spatial James Webb

Le premier jour du hackathon FRESCO (First Reionization Epoch Survey that is COmplete) à l'Observatoire de Genève, le 17 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]
Dans les coulisses des données du télescope spatial James Webb / La Matinale / 1 min. / le 21 novembre 2022
Les scientifiques de l'Observatoire astronomique de l'Université de Genève ont obtenu six programmes d'observation sur le télescope le plus puissant jamais envoyé dans l'espace, James Webb. Lorsque les données arrivent, il faut les faire parler. Reportage lors de deux après-midi consécutives d'étude.

La doctorante Alba Covelo-Paz et le professeur Pascal Oesch examinent les données envoyées par le JWST. Observatoire de Genève, le 18 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]La doctorante Alba Covelo-Paz et le professeur Pascal Oesch examinent les données envoyées par le JWST. Observatoire de Genève, le 18 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]Pas un œil pour remarquer la douce lumière d'automne qui effleure la forêt mordorée adjacente. L'atmosphère est studieuse dans la salle Astrotech Lac de l'Observatoire, à Sauverny, dans le canton de Genève, en cette mi-novembre.

Deux étudiantes, trois étudiants et leur professeur, Pascal Oesch, sont penchés sur leurs ordinateurs tout en conversant, par écran interposé, avec des collègues branchés depuis la Chine, le Japon, plusieurs villes aux Etats-Unis, le Danemark et Zurich.

Le télescope spatial James Webb (JWST) vient de leur envoyer les précieuses données attendues pour leur programme FRESCO – "First Reionization Epoch Survey that is COmplete" –, soit en français "Première enquête spectroscopique complète sur l'époque de la réionisation" (voir encadré). Un titre qui signifie que cette équipe est à la recherche des galaxies présentes dans les premiers milliards d'années après le Big Bang, à l'aube même de notre Univers.

>> Lire: La galaxie la plus lointaine dénichée grâce au télescope James Webb

Se répartir le travail et vérifier le fonctionnement des logiciels

Cette vue de près de 10'000 galaxies est appelée le "Hubble Ultra Deep Field" et comprend des galaxies d'âges, de tailles, de formes et de couleurs variées. Les plus petites et les plus rouges, environ une centaine, pourraient être parmi les plus lointaines connues, existant lorsque l'Univers n'avait que 800 millions d'années. Les galaxies les plus proches – les spirales et les elliptiques, plus grandes, plus brillantes et bien définies – se sont développées il y a environ 1 milliard d'années, lorsque le Cosmos avait 13 milliards d'années. L'image a nécessité 800 expositions prises au cours de 400 orbites de Hubble autour de la Terre. La durée totale d'exposition a été de 11,3 jours, entre le 24 septembre 2003 et le 16 janvier 2004. [S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team - NASA/ESA]Cette vue de près de 10'000 galaxies est appelée le "Hubble Ultra Deep Field" et comprend des galaxies d'âges, de tailles, de formes et de couleurs variées. Les plus petites et les plus rouges, environ une centaine, pourraient être parmi les plus lointaines connues, existant lorsque l'Univers n'avait que 800 millions d'années. Les galaxies les plus proches – les spirales et les elliptiques, plus grandes, plus brillantes et bien définies – se sont développées il y a environ 1 milliard d'années, lorsque le Cosmos avait 13 milliards d'années. L'image a nécessité 800 expositions prises au cours de 400 orbites de Hubble autour de la Terre. La durée totale d'exposition a été de 11,3 jours, entre le 24 septembre 2003 et le 16 janvier 2004. [S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team - NASA/ESA]L'instrument a été braqué sur GOODS South, une région du ciel qui se trouve juste à côté du célèbre "Hubble Ultra Deep Field", ce champ ultra profond qui révéla en 2004 des galaxies d'âges, de couleurs et de formes variées: elles existaient alors que le cosmos n'avait que quelque 800 millions d'années.

Au départ, il faut se répartir le travail et faire fonctionner les programmes informatiques utilisés pour réduire les données, extraire certaines signatures lumineuses, combiner les images ou les rendre plus lisibles.

Car les capteurs de l'exceptionnel James Webb ne sont pas forcément parfaits et il y a ici et là des wisps et des claws, soit des volutes et des griffures, des lumières parasites diffuses qui doivent être retirées des clichés.

FRESCO utilisera en tout 53 précieuses heures du télescope: c'est un programme "moyen" qui peut se voir allouer entre 25 et 75 heures d'observation. Les données récoltées sont publiques et, par conséquent, les scientifiques savent que d'autres personnes, tout autour du monde, utilisent potentiellement les mêmes données et essaient aussi de les faire parler. Une course a commencé pour dénicher en premier les objets les plus intéressants: d'où cette émulation astrophysique, ce hackathon, afin de défricher efficacement les données brutes (lire encadré).

>> Le JWST tweete ce qu'il est en train de faire. Ici, il travaille pour FRESCO, qui lui a donné des instructions très précises (proposal):

Des données précises en masse

"Regardez ce spectre!" s'exclame soudain Romain Meyer, maître assistant, qui est venu spécialement d'Allemagne pour défricher les informations avec ses collègues: "Il y a deux lignes d'émission très précises qui vont nous permettre de savoir tant de choses sur cette galaxie! Sa distance exacte, déjà!" Et de cela découlera notamment sa luminosité réelle et sa masse stellaire.

Romain Meyer (gauche) partage les belles lignes d'émission d'une galaxie lointaine avec Pascal Oesch (debout) et Emma Giovinazzo (centre). [Stéphanie Jaquet - RTS]Romain Meyer (gauche) partage les belles lignes d'émission d'une galaxie lointaine avec Pascal Oesch (debout) et Emma Giovinazzo (centre). [Stéphanie Jaquet - RTS]

"C'est ça la vraie force du programme FRESCO: on a à la fois des images directes et un spectre, soit la lumière émise en fonction de la longueur d'onde. Au lieu d'avoir seulement la lumière du Soleil, comme grâce à un prisme, on va voir toutes les couleurs d'un arc-en-ciel. On obtient ainsi d'autres informations que juste la luminosité qu'on aurait dans une image: des lignes d'émission, par exemple, comme si des bandes de l'arc-en-ciel étaient plus brillantes que d'autres", explique l'astrophysicien.

>> L'image scientifique d'une galaxie, de son spectre et de ses trois lignes distinctes d'émission:

A droite, l'image d'une galaxie avec l'instrument NIRCam du JWST; à gauche le spectre dont le continu a été soustrait, révélant trois lignes d'émission (les points plus foncés). [Romain Meyer, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]A droite, l'image d'une galaxie avec l'instrument NIRCam du JWST; à gauche le spectre dont le continu a été soustrait, révélant trois lignes d'émission (les points plus foncés). [Romain Meyer, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]

"Et ça nous donnera la distance de l'objet. On pourra aussi étudier la force du rayonnement dans les étoiles, la quantité d'oxygène ou de carbone". Avant James Webb, tout cela était impossible, car Hubble ou Spitzer ne voyaient pas aussi bien dans l'infrarouge.

>> Ecouter les explications complètes de Romain Meyer:

Romain Meyer écoute ses collègues en visioconférence. Observatoire de Genève, le 17 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]Stéphanie Jaquet - RTS
Romain Meyer détaille la force du programme FRESCO / Le Journal horaire / 3 min. / le 20 novembre 2022

Avec ce nouveau télescope spatial, tout va plus vite; il fallait auparavant des nuits d'observations fastidieuses depuis le sol. Désormais, cet instrument à la pointe de la technologie fournit des informations bien plus complètes en quelques heures seulement: "Cette galaxie-ci, par exemple, est plus proche de nous que ce que l'on croyait. On va aussi connaître plus de choses sur son environnement et ses voisines".

>> Une galaxie et son spectre:

La galaxie en spirale (vers le milieu gauche de l'image du haut) et son spectre (image du bas). Les petites taches réparties sur les lignes, vers la gauche, représentent du gaz présent dans la galaxie (ici, de l'hydrogène). [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]La galaxie en spirale (vers le milieu gauche de l'image du haut) et son spectre (image du bas). Les petites taches réparties sur les lignes, vers la gauche, représentent du gaz présent dans la galaxie (ici, de l'hydrogène). [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]

La science s'accélère: "On va pouvoir réviser ce qu'on connaissait. Savoir si ces galaxies sont très jeunes, si elles ont été enrichies par des explosions d'étoiles, si elles sont là depuis très longtemps ou pas", ajoute le docteur en astrophysique. "On va vraiment pouvoir faire de la physique en plus de la découverte astronomique et ça, c'est fantastique!"

>> Lire aussi: James Webb révèle la présence d'oxygène dans les galaxies premières

Des pixels en différentes nuances de gris

Des galaxies vue par le télescope spatial James Webb: en haut à gauche, des couleurs sont ajoutées avec des filtres rouge, vert et bleu. On y distingue un petit point rouge entre deux rosés, en bas à droite: c'est une galaxie lointaine qui apparaît dans l'infrarouge lointain. Les images en noir et blanc sont utilisées par les astronomes et leur donnent plus d'informations. [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]Des galaxies vue par le télescope spatial James Webb: en haut à gauche, des couleurs sont ajoutées avec des filtres rouge, vert et bleu. On y distingue un petit point rouge entre deux rosés, en bas à droite: c'est une galaxie lointaine qui apparaît dans l'infrarouge lointain. Les images en noir et blanc sont utilisées par les astronomes et leur donnent plus d'informations. [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]Le paquet envoyé par le JWST comporte aussi des images qui sont loin de ressembler aux photographies colorées spectaculaires dont le grand public est friand. Pour en obtenir, il faut appliquer des filtres rouge, vert et bleu: les couleurs primaires traduisent l'infrarouge en des teintes visibles par des yeux humains.

De leur côté, les astronomes travaillent avec des clichés ressemblant à de mauvaises photocopies striées réalisées avec une palette de nombreuses nuances de gris: des millions de pixels qui ont chacun leur importance.

Un petit groupement de seulement quelques-uns d'entre eux peut représenter toute une galaxie encore jamais observée, comme sur l'image de gauche et celle ci-dessous: un minuscule point blanc – rouge, une fois les filtres ajoutés – surgit: une galaxie qui existe quelques milliards d'années dans le passé, très proche du Big Bang.

En noir et blanc, les informations qui divergent d'un filtre infrarouge à l'autre sont plus aisément décelables et visibles: la couleur ne fait en quelque sorte que brouiller le signal.

La même image de galaxies vues dans des longueurs d'ondes différentes. Une galaxie lointaines (cerclée de rouge), jamais vue, apparaît très bien dans une longue longueur d'onde située dans l'infrarouge. [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]La même image de galaxies vues dans des longueurs d'ondes différentes. Une galaxie lointaines (cerclée de rouge), jamais vue, apparaît très bien dans une longue longueur d'onde située dans l'infrarouge. [Pascal Oesch, FRESCO, UNIGE - JWST/NASA, ESA, CSA]

Les images sont là pour confirmer ce que l'équipe scientifique a d'abord repéré informatiquement dans de touffus catalogues: des pages et des pages de chiffres donnant les coordonnées exactes des pixels d'intérêt à aller examiner méthodiquement.

>> Ecouter Pascal Oesch expliquer comment il travaille les images du JWST:

Le professeur d'astrophysique Pascal Oesch travaille les données reçues du JWST. Genève, le 17 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]Stéphanie Jaquet - RTS
Pascal Oesch travaille les images en noir et blanc du JWST / Le Journal horaire / 5 min. / le 20 novembre 2022

>> Lire: D'impressionnantes images du télescope spatial James Webb dévoilées par la NASA

Pendant les quelques jours précédant ces après-midi d'étude collective, le JWST aura observé la moitié du programme FRESCO, dans le ciel du Sud. L'autre partie de la recherche sera effectuée en février, dans un autre endroit du cosmos du côté du Nord.

Dans les jours à venir, la collaboration internationale FRESCO va s'atteler à rédiger des papiers scientifiques mettant en lumière leurs plus belles découvertes. Il s'agit de ne pas tarder, car la compétition est serrée: les données de James Webb valent de l'or.

Reportage radio, texte, photographies et édition web: Stéphanie Jaquet

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Première enquête spectroscopique complète sur l'époque de la réionisation

Une vidéo scientifique en anglais où l'astrophysicien Pascal Oesch présente le programme FRESCO – First Reionization Epoch Survey that is COmplete:

Données publiques et données privées

La collaboration FRESCO n'a pas exigé de privatisation, jugeant que l'endroit du ciel visé faisait partie des zones les plus étudiées du cosmos, avec par exemple d'autres télescopes tels que Spitzer et Hubble. Une décision généreuse mais qui expose la petite équipe à une rude concurrence, notamment d'autres groupes qui auraient en leur possession des données complémentaires, mais privées.

L'équipe FRESCO à Genève (de gauche à droite), Romain Meyer, Emma Giovinazzo, Alba Covelo-Paz, Pascal Oesch, Ivan Kramarenko (et, absent sur la photo, Andrea Weibel), le 18 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]L'équipe FRESCO à Genève (de gauche à droite), Romain Meyer, Emma Giovinazzo, Alba Covelo-Paz, Pascal Oesch, Ivan Kramarenko (et, absent sur la photo, Andrea Weibel), le 18 novembre 2022. [Stéphanie Jaquet - RTS]

Avec un programme "privé", l'équipe qui a donné des instructions au télescope ne partage ses data qu'après une année, bénéficiant ainsi d'une certaine longueur d'avance pour publier les découvertes les plus significatives. Il ne reste plus que quelques gouttes de l'orange qui a été pressée: "Mais on peut quand même trouver quelque chose", s'amuse Pascal Oesch: "Il reste toujours le zeste de l'orange!"

Un temps convoité

Le marathon du hackathon pour Ivan Kramarenko, Romain Meyer, Pascal Oesch, Emma Giovinazzo, Andrea Weibel et Alba Covelo-Paz. [Stéphanie Jaquet - RTS]Le marathon du hackathon pour Ivan Kramarenko, Romain Meyer, Pascal Oesch, Emma Giovinazzo, Andrea Weibel et Alba Covelo-Paz. [Stéphanie Jaquet - RTS]Obtenir du temps de télescope sur James Webb n'est de loin pas aisé, car des scientifiques de toute la planète désirent utiliser le merveilleux instrument. Pour bénéficier d'un programme d'observation, il faut faire une proposition qui est examinée puis acceptée ou non.

L'Observatoire de Genève a obtenu en tout six programmes pour la première phase d'utilisation du JWST, une performance pour une université assez petite au niveau mondial.

A noter encore que les équipes de recherche, universités ou instituts qui ont participé à la construction des instruments du télescope ont reçu "gratuitement" du GTO, pour garanteed time observation, soit du temps garanti d'observation.