Das NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope wird oft als Nachfolger des NASA/ESA Hubble Space Telescope bezeichnet. Tatsächlich ist es der Nachfolger von viel mehr. Mit der Einbeziehung des Mid-Infrared Instruments (MIRI) gelang Webb auch die Nachfolge von Infrarot-Weltraumteleskopen wie dem Space Infrared Observatory (ISO) der ESA und dem Spitzer Space Telescope der NASA.
Im mittleren Infrarotbereich ist das Universum ganz anders als das, was wir mit unseren Augen zu sehen gewohnt sind. Das mittlere Infrarot, das sich von 3 bis 30 Mikrometer erstreckt, erkennt Himmelsobjekte mit Temperaturen zwischen 30 und 700 °C. In diesem Modus leuchten Objekte, die in Bildern mit sichtbarem Licht dunkel erscheinen, jetzt hell.
„Dies ist ein sehr interessanter Wellenlängenbereich in Bezug auf die Chemie, die möglich ist, und wie man den Prozess der Sternentstehung verstehen kann und was in den Kernen von Galaxien passiert“, sagt Gillian Wright, Hauptforscherin des europäischen Konsortiums, das die entwickelt hat MIRI-Instrument. - Unsere ersten echten Einblicke in den Weltraum im mittleren Infrarot wurden mit ISO erhalten, das von November 1995 bis Oktober 1998 in Betrieb war. Spitzer kam 2003 in die Umlaufbahn und machte weitere Fortschritte bei ähnlichen Wellenlängen. Sowohl die ISO- als auch die Spitzer-Entdeckungen haben die Notwendigkeit von Mittelinfrarot-Fähigkeiten mit größeren Sammelflächen für eine bessere Empfindlichkeit und Winkelauflösung hervorgehoben, um viele wichtige Fragen in der Astronomie anzugehen.
Jillian und andere begannen von einem Instrument zu träumen, das das mittlere Infrarot in lebhaften Details sehen konnte. Unglücklicherweise sahen ESA und NASA die kürzeren Wellenlängen des nahen Infrarot als Hauptziel von Webb. Die ESA leitete die Entwicklung eines Nahinfrarot-Spektrometers namens NIRSpec, während die NASA eine Wärmebildkamera namens NIRCam anstrebte.
Als die ESA einen Aufruf zur Einreichung von Bewerbungen zur Untersuchung ihres Nahinfrarot-Spektrometers ankündigte, sahen Jillian und ihre Kollegen unbeirrt eine Gelegenheit. „Ich habe ein Team geleitet, das eine ziemlich mutige Antwort gesendet hat. Es hieß, wir würden den Nahinfrarot-Spektrographen untersuchen, aber wir hätten auch einen zusätzlichen Kanal, der sich mit all diesen Wissenschaftsstudien im mittleren Infrarotbereich befassen würde. Und wir haben einen wissenschaftlichen Grund dafür präsentiert, warum die Astronomie im mittleren Infrarotbereich auf Webb fantastisch wäre“, sagt sie.
Obwohl ihr Team diesen speziellen Auftrag nicht erhielt, trug der mutige Schritt dazu bei, das Profil der Mittelinfrarotastronomie in Europa zu schärfen, und sie selbst wurde eingeladen, diese wissenschaftlichen Interessen in einer anderen ESA-Studie zu vertreten, die die Kapazität der europäischen Industrie zum Bau von Infrarotinstrumenten untersuchte . Mit Unterstützung akademischer Einrichtungen aus ganz Europa widmete sich ein Teil dieser Forschung Instrumenten im mittleren Infrarotbereich.
Die Ergebnisse waren so ermutigend, wie auch die Ergebnisse paralleler Studien unter der Leitung der USA, dass das Interesse an einem solchen Gerät noch größer wurde. Nachdem Jillian und ihre Kollegen eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren in Europa zusammengestellt hatten, die willens und in der Lage waren, das Instrument zu entwerfen und zu bauen – und vor allem das Geld dafür aufzubringen –, ermutigten und überzeugten Jillian und ihre Kollegen die ESA und die NASA, es in das Projekt aufzunehmen Webb-Programm.
Die Ausweitung der europäischen Führungsrolle in dieser Arbeitsweise auf den Bereich der internationalen Zusammenarbeit mit den USA, auf die Flaggschiff-Mission der NASA, wo die Kultur des Instrumentenbaus so anders ist, war kein garantiertes Erfolgsrezept. „Die größte Befürchtung war, dass diese Komplexität die größte Bedrohung für das Instrument darstellen würde“, sagt José Lorenzo Alvarez, Manager des MIRI-Instruments bei der ESA. Aber das Risiko hat sich gelohnt.
Neben der Beschaffung eigener Mittel erhielt das Konsortium eine weitere Einschränkung: Das Instrument sollte die Betriebstemperaturen und die Optik von Webb nicht beeinträchtigen. Mit anderen Worten, das Teleskop bleibt für Nahinfrarot-Instrumente optimiert, und MIRI nimmt alles, was es bekommen kann. Dies würde die Leistung des Instruments auf über zehn Mikrometer begrenzen, aber für Jillian war dies ein geringer Preis.
Eine der größten technologischen Hürden war, dass MIRI bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden musste als Nahinfrarot-Instrumente. Dies wurde unter Verwendung eines Kryokühlermechanismus erreicht, der vom Jet Propulsion Laboratory der NASA bereitgestellt wurde. Um für Wellen im mittleren Infrarotbereich empfindlich zu sein, arbeitet MIRI bei einer Temperatur von etwa -267 °C.
Dies ist niedriger als die durchschnittliche Oberflächentemperatur von Pluto von etwa 40 Kelvin (-233 °C). Zufälligerweise ist dies die Temperatur, bei der andere Instrumente und das Teleskop arbeiten. Beide Temperaturen sind extrem niedrig, aber aufgrund dieses Unterschieds würde immer noch Wärme vom Teleskop in MIRI eindringen, wenn es am Teleskop befestigt ist, wenn sie nicht thermisch voneinander isoliert wären.
Eine weitere Herausforderung war der begrenzte Platz, der für das Instrument am Teleskop zur Verfügung stand. Dies war noch schwieriger, da MIRI eigentlich zwei Instrumente in einem sein sollte – ein Bildgeber und ein Spektrometer. Dies erforderte einige clevere Designarbeiten.
Selbst nachdem das Instrument fertiggestellt und zur Integration mit dem Rest des Teleskops an die NASA geliefert worden war, sah sich das Team noch mehr Herausforderungen gegenüber.
Der Bau des äußerst komplexen Teleskops dauerte länger, als sich irgendjemand hätte vorstellen können, was bedeutet, dass MIRI und andere Instrumente viel länger als ursprünglich geplant auf der Erde bleiben müssen.
Dann, am Weihnachtstag 2021, brachte die Trägerrakete Ariane 5 der ESA das Raumschiff mit einem perfekten Start in die Umlaufbahn. In den folgenden Wochen und Monaten bereiteten Bodenteams das Teleskop und seine Instrumente vor und übergaben sie den Wissenschaftlern. Zusammen mit anderen Instrumenten sendet MIRI jetzt Daten, von denen Wissenschaftler bisher nur träumen konnten.
MIRI-Daten waren in den frühesten Webb-Bildern weit verbreitet, einschließlich der „Berge“ und „Täler“ des Carina-Nebels, der interagierenden Galaxiengruppe Stefan Quintet und des südlichen Ringnebels. Nachfolgende Bilder legten die Messlatte sowohl in Bezug auf Schönheit als auch auf Wissenschaft immer höher. Da MIRI jedoch gegenüber allen bisherigen Instrumenten im mittleren Infrarotbereich einen so großen Fortschritt darstellt, wird die Messlatte auch in Bezug auf die Möglichkeiten der Bildinterpretation höher gelegt.
Aber das ist die Essenz fortgeschrittener Wissenschaft, und Astronomen beeilen sich bereits, detailliertere Computermodelle zu entwickeln, die ihnen mehr über die verschiedenen physikalischen Prozesse sagen können, die dazu führen, dass Daten im mittleren Infrarotbereich erscheinen.
MIRI hat zusammen mit anderen Tools im Internet das Potenzial, jeden Bereich der Astronomie voranzubringen. Dies ist die Art von transformativer Wissenschaft, die nur durch eine signifikante Erweiterung der Möglichkeiten möglich wird. Und es ist ein großartiger Beweis für die Teamarbeit und internationale Zusammenarbeit, die in den Bau des Teleskops im Allgemeinen und von MIRI im Besonderen geflossen sind.
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