Rymdteleskopet NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop kallas ofta efterföljaren till NASA/ESA rymdteleskop Hubble. I själva verket är det efterföljaren till mycket mer. Med införandet av Mid-Infrared Instrument (MIRI) lyckades Webb också infraröda rymdteleskop som ESA:s Space Infrared Observatory (ISO) och NASA:s Spitzer Space Telescope.
I det mellaninfraröda området är universum väldigt annorlunda än vad vi är vana vid att se med våra ögon. Från 3 till 30 mikrometer upptäcker mittinfrarött himmelobjekt med temperaturer mellan 30 och 700º C. I det här läget lyser nu objekt som ser mörka ut i bilder med synligt ljus starkt.
"Detta är ett mycket intressant våglängdsområde när det gäller den kemi som kan göras och hur du kan förstå processen för stjärnbildning och vad som händer i galaxernas kärnor", säger Gillian Wright, chefsutredare för det europeiska konsortiet som utvecklade MIRI instrument. - Våra första riktiga mellaninfraröda glimtar av rymden fick vi med ISO, som fungerade från november 1995 till oktober 1998. När Spitzer anlände i omloppsbana 2003 gjorde ytterligare framsteg vid liknande våglängder. Både ISO- och Spitzers upptäckter har belyst behovet av medelinfraröda funktioner med större uppsamlingsytor för bättre känslighet och vinkelupplösning för att ta itu med många viktiga frågor inom astronomi."
Jillian och andra började drömma om ett instrument som kunde se det mellaninfraröda i levande detaljer. Tyvärr för dem såg ESA och NASA de kortare våglängderna för det nära-infraröda som Webbs primära mål. ESA ledde utvecklingen av en nära-infraröd spektrometer som heter NIRSpec, medan NASA siktade på en värmekamera som heter NIRCam.
Oavskräckt, när ESA tillkännagav en uppmaning till ansökningar för att studera dess nära-infraröda spektrometer, såg Jillian och hennes kollegor en möjlighet. "Jag ledde ett lag som skickade ett ganska djärvt svar. Det stod att vi skulle studera den nära-infraröda spektrografen, men vi skulle också ha en extra kanal som skulle hantera alla dessa medelinfraröda vetenskapsstudier. Och vi presenterade ett vetenskapligt fall för varför mellaninfraröd astronomi skulle vara fantastiskt på Webb, säger hon.
Även om hennes team inte vann just det kontraktet, hjälpte det djärva draget till att höja profilen för mellaninfraröd astronomi i Europa, och hon blev själv inbjuden att representera dessa vetenskapliga intressen i en annan ESA-studie som undersökte den europeiska industrins förmåga att bygga infraröda instrument . Med stöd av akademiska institutioner från hela Europa ägnades en del av denna forskning till instrument i det mellaninfraröda området.
Resultaten var så uppmuntrande, liksom resultaten från parallella studier ledda av USA, att intresset för en sådan enhet blev ännu större. Efter att ha samlat en internationell grupp av forskare och ingenjörer i Europa som är villiga och kapabla att designa och bygga instrumentet – och, avgörande, samla in pengar för att göra det – uppmuntrade och övertygade Jillian och hennes kollegor gradvis ESA och NASA att inkludera det i Webb program.
Att utvidga det europeiska ledarskapet på detta sätt att arbeta till området för internationellt samarbete med USA, till NASA:s flaggskeppsuppdrag, där instrumenttillverkningskulturen är så annorlunda, var inte ett garanterat framgångsrecept. "Den största rädslan var att denna komplexitet skulle vara det största hotet mot instrumentet", säger José Lorenzo Alvarez, chef för MIRI-instrumentet på ESA. Men risken lönade sig.
Förutom att locka till sig egna medel fick konsortiet ytterligare en varning: instrumentet ska inte påverka Webbs driftstemperaturer och optik. Med andra ord kommer teleskopet att förbli optimerat för nära-infraröda instrument, och MIRI kommer att ta vad det kan få. Detta skulle begränsa instrumentets prestanda över tio mikrometer, men för Jillian var det ett litet pris att betala.
Ett av de största tekniska hindren var att MIRI var tvungen att arbeta vid en lägre temperatur än nära-infraröda instrument. Detta åstadkoms med hjälp av en kryokylningsmekanism från NASA:s Jet Propulsion Laboratory. För att vara känslig för medelinfraröda vågor arbetar MIRI vid en temperatur på cirka -267°C.
Detta är lägre än Plutos genomsnittliga yttemperatur på cirka 40 Kelvin (-233°C). Av en slump är detta den temperatur vid vilken andra instrument och teleskopet arbetar. Båda temperaturerna är extremt låga, men på grund av denna skillnad skulle värme från teleskopet fortfarande sippra in i MIRI när det väl var fäst vid teleskopet om de inte var termiskt isolerade från varandra.
En annan utmaning var det begränsade utrymmet som fanns tillgängligt för instrumentet på teleskopet. Detta var ännu svårare eftersom MIRI egentligen var tänkt att vara två instrument i ett - en avbildare och en spektrometer. Detta krävde en del smart designarbete.
Även efter att instrumentet färdigställts och levererats till NASA för integration med resten av teleskopet, stod teamet inför ännu fler utmaningar.
Det extremt komplexa teleskopet tog längre tid att bygga än någon kunde ha föreställt sig, vilket innebär att MIRI och andra instrument kommer att behöva stanna på jorden mycket längre än vad som ursprungligen planerats.
Sedan, på juldagen 2021, levererade ESA:s bärraket Ariane 5 rymdfarkosten i omloppsbana i en perfekt uppskjutning. Under de följande veckorna och månaderna förberedde markteam teleskopet och dess instrument och överlämnade dem till forskarna. Tillsammans med andra instrument skickar MIRI nu data som forskarna bara har drömt om.
MIRI-data var allmänt med i de tidigaste Webb-bilderna, inklusive "bergen" och "dalarna" i Carinanebulosan, den interagerande galaxgruppen Stefan Quintet och Southern Ring Nebula. Efterföljande bilder fortsatte att höja ribban när det gäller både skönhet och vetenskap. Men eftersom MIRI är ett så stort steg framåt från alla tidigare mellaninfraröda instrument, höjs ribban också när det gäller bildtolkningsmöjligheter.
Men detta är kärnan i avancerad vetenskap, och astronomer skyndar sig redan för att utveckla mer detaljerade datormodeller som kan berätta mer om de olika fysiska processerna som gör att data dyker upp i det mellaninfraröda området.
MIRI, tillsammans med andra verktyg på webben, har potential att främja alla områden inom astronomi. Detta är den typ av transformativ vetenskap som bara blir möjlig genom en betydande expansion av möjligheter. Och det är ett bra bevis på det lagarbete och det internationella samarbetet som gick till att bygga teleskopet i allmänhet, och MIRI i synnerhet.
Du kan hjälpa Ukraina att slåss mot de ryska inkräktarna. Det bästa sättet att göra detta är att donera medel till Ukrainas väpnade styrkor genom Rädda liv eller via den officiella sidan NBU.
Läs också:
- Hubble såg ett par Gerbig-Aro-objekt i stjärnbilden Orion
- James Webb-teleskopet kommer att studera beboeliga exoplaneter