Com MIRI es va convertir en l’instrument més fantàstic de Webb

A les longituds d’ona de l’infraroig mitjà, l’Univers és un lloc molt diferent del que estem acostumats a veure amb els nostres ulls. Amb una extensió de 3 a 30 micròmetres, l’infraroig mitjà revela objectes celestes amb temperatures de 30 a 700ºC. En aquest règim, els objectes que semblen foscos a les imatges de llum visible ara brillen amb força.

Per exemple, els núvols de pols en què es formen les estrelles tendeixen a estar a aquestes temperatures. A més, les molècules solen ser fàcils de veure a aquestes longituds d’ona. “És un rang de longituds d’ona tan emocionant pel que fa a la química que podeu fer i la manera en què podeu entendre la formació d’estrelles i el que està passant als nuclis de les galàxies”, diu Gillian Wright, investigadora principal del Consorci Europeu darrere de l’instrument MIRI. .

Les nostres primeres visió reals del cosmos de l’infraroig mitjà van venir de la ISO, que va estar operativa entre novembre de 1995 i octubre de 1998. En arribar a l’òrbita el 2003, Spitzer va fer més progressos a longituds d’ona similars. Tant els descobriments d’ISO com de Spitzer van posar de manifest la necessitat d’una capacitat d’infraroig mitjà amb una àrea de recollida més gran per a una millor sensibilitat i resolució angular per avançar en moltes qüestions importants en astronomia.

Gillian i altres van començar a somiar amb un instrument que pogués veure l’infraroig mitjà amb detalls vívids. Malauradament per a ells, l’ESA i la NASA van veure les longituds d’ona més curtes de l’infraroig proper com l’objectiu principal de Webb. L’ESA prendria la iniciativa d’un espectròmetre d’infraroig proper, que es va convertir en NIRSpec, i la NASA va posar els seus ulls en una imatge que es va convertir en NIRCam.

Per no desanimar-se, quan l’ESA va fer una convocatòria de propostes per estudiar el seu instrument d’espectròmetre d’infraroig proper, Gillian i els seus col·legues van veure una oportunitat.

“Vaig dirigir un equip que va donar una resposta bastant descarada. Va dir que estudiarem l’espectrògraf d’infraroig proper, però també tindrem un canal addicional per fer tota aquesta ciència de l’infraroig mitjà. I vam presentar el cas científic per què l’astronomia d’infraroig mitjà seria fantàstica a Webb”, diu.

Tot i que el seu equip no va guanyar aquest contracte en particular, el moviment audaç va ajudar a augmentar el perfil de l’astronomia d’infraroig mitjà a Europa, i ella mateixa va ser convidada a representar aquests interessos científics en un altre estudi de l’ESA que va estudiar la capacitat de la indústria europea per construir instrumentació infraroja. Amb l’ajuda d’institucions acadèmiques d’arreu d’Europa, una part d’aquest estudi va analitzar la instrumentació d’infraroig mitjà.

Els resultats van ser tan encoratjadors, com els dels estudis paral·lels dirigits pels Estats Units, que l’apetit per aquest instrument va créixer encara més. En reunir a Europa una col·laboració internacional de científics i enginyers disposats i capaços de dissenyar i construir l’instrument, i de manera crucial recaptar els diners per fer-ho, Gillian i els seus col·laboradors van animar i van convèncer gradualment l’ESA i la NASA perquè l’incloguessin a Webb.

Els grans consorcis no són una manera inusual de construir instruments de naus espacials a Europa. L’ESA sovint construeix la nau espacial o el telescopi i després depèn de consorcis d’institucions acadèmiques i industrials per recaptar fons dels seus governs nacionals per construir els instruments. Però és inusual als EUA, on la NASA sol finançar també la instrumentació.

Ampliar el lideratge europeu en aquest mètode de treball a l’àmbit de la col·laboració internacional amb els EUA, en una missió insígnia de la NASA on la cultura de la construcció d’instruments és tan diferent, no era una recepta garantida per a l’èxit.

“La por més gran era que aquesta complexitat fos la major amenaça per a l’instrument”, diu Jose Lorenzo Alvarez, director d’instruments MIRI de l’ESA.

Però l’aposta va donar els seus fruits, tal com explica Jose: “Va ser sorprenent veure el canvi d’actitud entre persones amb cultures laborals completament diferents. Els primers anys, estàvem en una corba d’aprenentatge. Al final, MIRI, que era organitzativament més complex, va ser el primer instrument que es va lliurar”.

A més de recaptar els seus propis diners, el consorci havia rebut una altra advertència: l’instrument no podia tenir cap impacte en les temperatures i l’òptica de funcionament del Webb. En altres paraules, el telescopi es mantindria optimitzat per als instruments d’infraroig proper i MIRI acceptaria tot el que pogués obtenir. Això limitaria el rendiment de l’instrument més enllà dels deu micròmetres, però era un petit preu a pagar per Gillian. “Mai ho vaig veure com un compromís perquè encara seria millor que qualsevol cosa que haguéssim vist abans”, diu.

Un dels majors obstacles tecnològics a superar va ser que MIRI havia de funcionar a una temperatura més baixa que els instruments d’infraroig proper. Això es va aconseguir amb el mecanisme de criorefrigerador proporcionat pel Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Per ser sensible a les longituds d’ona de l’infraroig mitjà, MIRI funciona a uns 6 Kelvin (-267 ° C). Això és inferior a la temperatura mitjana de la superfície de Plutó, que és d’uns 40 Kelvin (–233 °C). Casualment, aquesta temperatura és on funcionen els altres instruments i el telescopi. Tots dos són temperatures extremadament fredes, però a causa d’aquesta diferència, la calor del telescopi encara es filtraria a MIRI un cop s’aprofités al telescopi, tret que els dos estiguessin aïllats tèrmicament l’un de l’altre.

“Per minimitzar les fuites tèrmiques vam haver de triar alguns materials d’arnès força estranys i força exòtics per minimitzar la conductància tèrmica d’un costat a l’altre”, diu Brian O’Sullivan, enginyer de sistemes MIRI de l’ESA.

Un altre repte va ser l’espai limitat disponible per a l’instrument al telescopi. Això es va fer encara més difícil, ja que MIRI havia de ser efectivament dos instruments en un, una imatge i un espectròmetre. Va demanar un treball de disseny intel·ligent.

“Tenim un mecanisme i no només utilitzem la llum que brilla per un costat, sinó que també fem servir l’altre costat, només per minimitzar el nombre de mecanismes que utilitzem i l’espai que ocupem. És un disseny òptic molt interessant i molt compacte”, diu Brian.

L’instrument utilitza un camí de llum per la seva imatge, i un altre pel seu espectròmetre.

Fins i tot després que l’instrument s’hagués completat i lliurat a la NASA per a la seva integració amb la resta del telescopi, hi havia més reptes per a l’equip.

El telescopi ferotgement complicat va trigar més temps a completar-se del que ningú s’havia imaginat i això significava que MIRI i els altres instruments haurien de sobreviure a terra molt més temps del que s’havia previst originalment. Dissenyat per romandre a la Terra durant uns tres anys abans del llançament, va trigar gairebé una dècada més abans que la nau espacial arribés a l’òrbita. Per garantir la salut de l’instrument, MIRI es va emmagatzemar en condicions estrictament controlades i es va provar periòdicament.

Aleshores, el dia de Nadal de 2021, un coet Ariane 5 de l’ESA va portar la nau espacial a l’òrbita amb un llançament perfecte. En les setmanes i mesos següents, els equips terrestres van preparar el telescopi i els seus instruments i es van lliurar als científics.

Juntament amb els altres instruments, MIRI envia ara el tipus de dades que els científics havien somiat.

“Sí, aquests primers mesos en particular van ser força surrealistes”, diu Sarah Kendrew, científica de calibració i instruments MIRI, ESA. “Havíem estat fent molt treball preparatori amb dades simulades, així que en cert sentit sabíem com serien les dades. Així que podríeu estar mirant-ho pensant que tot us sembla molt familiar, però al mateix temps, és com, però venia de l’espai!”

Les dades de MIRI van aparèixer molt a les primeres imatges publicades des de Webb, incloses les “muntanyes” i les “valls” de la nebulosa Carina, el grup de galàxies en interacció Stephan Quintet i la nebulosa de l’anell del sud. Les imatges posteriors han continuat pujant el llistó tant pel que fa a la bellesa com a la ciència.

Tanmateix, com que MIRI és un pas tan gran respecte a qualsevol instrument d’infraroig mitjà anterior, el llistó també augmenta pel que fa a la capacitat d’interpretar les imatges. “MIRI ens ofereix moltes coses molt noves que són més difícils d’interpretar, només perquè MIRI és una gran diferència amb el que hi havia abans”, diu la Sarah.

Però aquesta és l’essència de la ciència d’avantguarda i els astrònoms ja estan córrer per desenvolupar models informàtics més detallats que els puguin dir més sobre els diferents processos físics que donen lloc a lectures d’infraroig mitjà.

“Hi ha un gran potencial per a una nova comprensió amb MIRI, especialment en la formació d’estrelles i les propietats de la pols i les galàxies. Pot ser que trigui una mica més a interpretar-se, però crec que la nova ciència que sortirà de MIRI serà molt, molt substancial”, diu la Sarah.

MIRI, juntament amb els altres instruments de Webb, té el potencial d’avançar en totes les branques de l’astronomia. És el tipus de ciència transformadora que només es produeix a través d’un gran augment de la capacitat. I és un testimoni notable del treball en equip i la col·laboració internacional que es va incorporar al telescopi en general, i MIRI en particular.

“El que va fer que MIRI succeís va ser l’esperit d’equip. Tots volíem el mateix, que era la ciència. La voluntat de la gent de treballar junts i resoldre els problemes junts va ser realment el que va fer que MIRI succeís”, diu Gillian.

I ara tot el món se’n beneficia.

Més informació
Webb és el telescopi més gran i potent mai llançat a l’espai. En virtut d’un acord de col·laboració internacional, l’ESA va proporcionar el servei de llançament del telescopi, utilitzant el vehicle de llançament Ariane 5. Treballant amb socis, l’ESA va ser responsable del desenvolupament i la qualificació de les adaptacions d’Ariane 5 per a la missió Webb i de l’adquisició del servei de llançament per part d’Arianespace. L’ESA també va proporcionar l’espectrògraf de cavall de batalla NIRSpec i el 50% de l’instrument d’infraroig mitjà MIRI, que va ser dissenyat i construït per un consorci d’instituts europeus finançats a nivell nacional (The MIRI European Consortium) en col·laboració amb JPL i la Universitat d’Arizona. Webb és una associació internacional entre la NASA, l’ESA i l’Agència Espacial Canadenca (CSA).

El consorci MIRI estava format per institucions i indústria de deu països europeus, l’ESA i la NASA. Els principals socis del consorci van ser: UK Astronomy Technology Centre, Airbus UK, University of Leicester, Rutherford Appleton laboratory, Cardiff University, Regne Unit; DIAS, Eire; CSL, Universitat de Lovaina, Bèlgica; CEA, LESIA/LAM, França; INTA, Espanya; Universitat d’Estocolm, Suècia; DTUSpace, Dinamarca; NOVA IR Group, Universitat de Leiden, Països Baixos; MPIA Heidelberg, Universitat de Köln, Alemanya; ETH, Cover, Suïssa.