Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA wird die ersten Galaxien sehen, die sich nach dem Urknall bilden, aber dazu müssen seine Instrumente erst kalt werden – richtig kalt. Am 7. April erreichte Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) – eine gemeinsame Entwicklung der NASA und der ESA (European Space Agency) – seine endgültige Betriebstemperatur unter 7 Kelvin (minus 447 Grad Fahrenheit oder minus 266 Grad Celsius).
Zusammen mit den drei anderen Instrumenten von Webb kühlte MIRI zunächst im Schatten von Webbs tennisplatzgroßem Sonnenschutz ab und fiel auf etwa 90 Kelvin (minus 298 F oder minus 183 C). Um jedoch auf weniger als 7 Kelvin zu sinken, war ein elektrisch betriebener Kryokühler erforderlich. Letzte Woche passierte das Team einen besonders herausfordernden Meilenstein namens „Pinch Point“, wenn das Instrument von 15 Kelvin (minus 433 F oder minus 258 C) auf 6,4 Kelvin (minus 448 F oder minus 267 C) geht.
„Das Kühlerteam von MIRI hat viel harte Arbeit in die Entwicklung des Verfahrens für den Pinch Point gesteckt“, sagte Analyn Schneider, Projektleiterin für MIRI am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Das Team war sowohl aufgeregt als auch nervös, als es in die kritische Aktivität ging. Am Ende war es eine Lehrbuchausführung des Verfahrens, und die Leistung des Kühlers ist noch besser als erwartet.“
Die niedrige Temperatur ist notwendig, weil alle vier Instrumente von Webb Infrarotlicht erkennen – Wellenlängen, die etwas länger sind als die, die das menschliche Auge sehen kann. Entfernte Galaxien, in Staubkokons verborgene Sterne und Planeten außerhalb unseres Sonnensystems strahlen Infrarotlicht aus. Aber auch andere warme Objekte, einschließlich Webbs eigener Elektronik- und Optikhardware. Das Abkühlen der Detektoren der vier Instrumente und der umgebenden Hardware unterdrückt diese Infrarotemissionen. MIRI erkennt längere Infrarotwellenlängen als die anderen drei Instrumente, was bedeutet, dass es noch kälter sein muss.
Ein weiterer Grund, warum Webbs Detektoren kalt sein müssen, ist die Unterdrückung von sogenanntem Dunkelstrom oder elektrischem Strom, der durch die Vibration von Atomen in den Detektoren selbst erzeugt wird. Dunkelstrom ahmt ein echtes Signal in den Detektoren nach und erweckt den falschen Eindruck, dass sie von Licht einer externen Quelle getroffen wurden. Diese falschen Signale können die echten Signale übertönen, die Astronomen finden wollen. Da die Temperatur ein Maß dafür ist, wie schnell die Atome im Detektor vibrieren, bedeutet eine Verringerung der Temperatur weniger Vibration, was wiederum weniger Dunkelstrom bedeutet.
Die Fähigkeit von MIRI, längere Infrarotwellenlängen zu erkennen, macht es auch empfindlicher für Dunkelstrom, sodass es kälter sein muss als die anderen Instrumente, um diesen Effekt vollständig zu beseitigen. Mit jedem Grad, an dem die Instrumententemperatur steigt, steigt der Dunkelstrom um etwa den Faktor 10 an.
Als MIRI frostige 6,4 Kelvin erreichte, begannen die Wissenschaftler mit einer Reihe von Überprüfungen, um sicherzustellen, dass die Detektoren wie erwartet funktionierten. Wie ein Arzt, der nach Anzeichen einer Krankheit sucht, sieht sich das MIRI-Team Daten an, die den Zustand des Instruments beschreiben, und gibt dem Instrument dann eine Reihe von Befehlen, um zu sehen, ob es Aufgaben korrekt ausführen kann. Dieser Meilenstein ist der Höhepunkt der Arbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren an mehreren Institutionen zusätzlich zum JPL, darunter Northrop Grumman, das den Kryokühler gebaut hat, und das Goddard Space Flight Center der NASA, das die Integration von MIRI und dem Kühler in den Rest des Observatoriums beaufsichtigte .
„Wir haben jahrelang für diesen Moment geübt, indem wir die Befehle und Prüfungen durchgegangen sind, die wir an MIRI durchgeführt haben“, sagte Mike Ressler, Projektwissenschaftler für MIRI am JPL. „Es war wie ein Drehbuch für einen Film: Alles, was wir machen sollten, wurde aufgeschrieben und geprobt.
Es gibt noch weitere Herausforderungen, denen sich das Team stellen muss, bevor MIRI seine wissenschaftliche Mission beginnen kann. Nachdem das Instrument nun auf Betriebstemperatur ist, werden die Teammitglieder Testbilder von Sternen und anderen bekannten Objekten aufnehmen, die zur Kalibrierung und zur Überprüfung des Betriebs und der Funktionalität des Instruments verwendet werden können. Das Team wird diese Vorbereitungen zusammen mit der Kalibrierung der anderen drei Instrumente durchführen und in diesem Sommer Webbs erste wissenschaftliche Bilder liefern.
„Ich bin sehr stolz darauf, Teil dieser Gruppe hochmotivierter, enthusiastischer Wissenschaftler und Ingenieure aus ganz Europa und den USA zu sein“, sagte Alistair Glasse, MIRI-Instrumentenwissenschaftler am UK Astronomy Technology Centre (ATC) in Edinburgh, Schottland. „Diese Zeit ist unsere ‚Feuerprobe‘, aber mir ist bereits klar, dass die persönlichen Bindungen und der gegenseitige Respekt, die wir in den letzten Jahren aufgebaut haben, uns durch die nächsten Monate bringen werden, um ein fantastisches Instrument an die zu liefern weltweite Astronomie-Community.“
Weitere Informationen über die Webb-Mission finden Sie unter: https://www.nasa.gov/webb