Das NASA/ESA/CSA-Weltraumteleskop James Webb wird allgemein als Nachfolger des NASA/ESA-Weltraumteleskops Hubble bezeichnet. In Wirklichkeit ist es der Nachfolger von viel mehr als dem. Mit der Einbeziehung des Mid-InfraRed Instrument (MIRI) wurde Webb auch zum Nachfolger von Infrarot-Weltraumteleskopen wie dem Infrared Space Observatory (ISO) der ESA und dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA.
Bei mittleren Infrarotwellenlängen ist das Universum ein ganz anderer Ort als der, den wir mit unseren Augen zu sehen gewohnt sind. Mit einer Ausdehnung von 3 bis 30 Mikrometern zeigt das mittlere Infrarot Himmelsobjekte mit Temperaturen von 30 bis 700 ºC. In diesem Regime leuchten Objekte, die in Bildern mit sichtbarem Licht dunkel erscheinen, jetzt hell.
Beispielsweise haben die Staubwolken, in denen sich Sterne bilden, tendenziell diese Temperaturen. Außerdem sind Moleküle bei diesen Wellenlängen leicht zu sehen. „Es ist ein so spannender Wellenlängenbereich in Bezug auf die Chemie, die man machen kann, und die Art und Weise, wie man die Sternentstehung und die Vorgänge in den Kernen von Galaxien verstehen kann“, sagt Gillian Wright, die leitende Forscherin des europäischen Konsortiums hinter dem MIRI-Instrument .
Unsere ersten wirklichen Einblicke in den mittleren Infrarotkosmos kamen von ISO, das zwischen November 1995 und Oktober 1998 in Betrieb war. Als Spitzer 2003 in den Orbit kam, machte er weitere Fortschritte bei ähnlichen Wellenlängen. Sowohl die Entdeckungen von ISO als auch von Spitzer unterstrichen die Notwendigkeit einer Mittelinfrarot-Fähigkeit mit einer größeren Sammelfläche für eine bessere Empfindlichkeit und Winkelauflösung, um viele große Fragen in der Astronomie voranzutreiben.
Gillian 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 für Webb. Die ESA würde die Führung bei einem Nahinfrarot-Spektrometer übernehmen, das zu NIRSpec wurde, und die NASA richtete ihr Augenmerk auf einen Imager, der zu NIRCam wurde.
Gillian und ihre Kollegen ließen sich nicht abschrecken, als die ESA einen Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen zur Untersuchung ihres Nahinfrarot-Spektrometerinstruments veröffentlichte, und sahen eine Chance.
„Ich habe ein Team geleitet, das eine ziemlich freche Antwort gegeben hat. Es sagte, wir werden den Nahinfrarot-Spektrographen untersuchen, aber wir werden auch einen zusätzlichen Kanal haben, der all diese Mittelinfrarot-Wissenschaft betreibt. Und wir haben den wissenschaftlichen Grund dafür präsentiert Astronomie im mittleren Infrarotbereich wäre fantastisch auf Webb“, sagt sie.
Obwohl ihr Team diesen speziellen Auftrag nicht erhielt, trug dieser 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 Fähigkeit der europäischen Industrie zum Bau von Infrarotinstrumenten untersuchte. Ein Teil dieser Studie, die von akademischen Institutionen aus ganz Europa unterstützt wurde, befasste sich mit Instrumenten im mittleren Infrarotbereich.
Die Ergebnisse waren so ermutigend wie die von parallelen US-geführten Studien, dass der Appetit auf ein solches Instrument noch größer wurde. Indem sie in Europa eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammenbrachten, die willens und in der Lage waren, das Instrument zu entwerfen und zu bauen – und das Geld dafür aufzubringen – ermutigten und überzeugten Gillian und ihre Mitarbeiter ESA und NASA nach und nach, es in Webb aufzunehmen.
Große Konsortien sind keine ungewöhnliche Art, Raumfahrzeuginstrumente in Europa zu bauen. Die ESA baut oft das Raumfahrzeug oder Teleskop und verlässt sich dann auf Konsortien akademischer und industrieller Institutionen, um Mittel von ihren nationalen Regierungen für den Bau der Instrumente zu beschaffen. Aber es ist ungewöhnlich in den USA, wo die NASA normalerweise auch die Instrumentierung finanziert.
Webbs Instrumente: Lernen Sie MIRI kennen. Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation
Die Ausweitung der europäischen Führungsrolle bei dieser Methode der Arbeit auf den Bereich der internationalen Zusammenarbeit mit den USA bei einer Flaggschiff-Mission der NASA, bei der 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 Jose Lorenzo Alvarez, MIRI Instrument Manager für die ESA.
Aber das Wagnis hat sich gelohnt, wie Jose erklärt: „Es war überraschend, den Einstellungswandel zwischen Menschen mit völlig unterschiedlichen Arbeitskulturen zu sehen. In den ersten Jahren befanden wir uns in einer Lernkurve. Am Ende MIRI, das organisatorisch komplexer war , war das erste Instrument, das ausgeliefert wurde.“
Zusätzlich zur Beschaffung des eigenen Geldes wurde dem Konsortium eine weitere Einschränkung auferlegt: Das Instrument konnte keinen Einfluss auf die Betriebstemperaturen und die Optik des Webb haben. Mit anderen Worten, das Teleskop würde für die Nahinfrarot-Instrumente optimiert bleiben, und MIRI würde alles akzeptieren, was es bekommen könnte. Dies würde die Leistung des Instruments auf über zehn Mikrometer begrenzen, aber es war ein geringer Preis für Gillian. „Ich habe es nie als Kompromiss gesehen, weil es immer noch besser wäre als alles, was wir je zuvor gesehen haben“, sagt sie.
Eine der größten zu überwindenden technologischen Hürden bestand darin, dass MIRI bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden musste als die Nahinfrarot-Instrumente. Dies wurde mit dem Cryocooler-Mechanismus erreicht, der vom Jet Propulsion Laboratory der NASA bereitgestellt wurde. Um für die mittleren Infrarotwellenlängen empfindlich zu sein, arbeitet MIRI bei etwa 6 Kelvin (–267 °C).
Dies ist niedriger als die durchschnittliche Oberflächentemperatur von Pluto, die bei etwa 40 Kelvin (–233 °C) liegt. Zufälligerweise arbeiten bei dieser Temperatur die anderen Instrumente und das Teleskop. Beides sind extrem kalte Temperaturen, aber aufgrund dieses Unterschieds würde Wärme aus dem Teleskop immer noch in MIRI eindringen, sobald es mit dem Teleskop verbunden ist, es sei denn, die beiden wären thermisch voneinander isoliert.
„Um die thermischen Lecks zu minimieren, mussten wir einige ziemlich seltsame und ziemlich exotische Kabelbaummaterialien auswählen, um die Wärmeleitfähigkeit von einer Seite zur anderen zu minimieren“, sagt Brian O’Sullivan, MIRI-Systemingenieur für die ESA.
Eine weitere Herausforderung war der begrenzte Platz, der für das Instrument am Teleskop zur Verfügung stand. Dies wurde noch erschwert, da MIRI praktisch zwei Instrumente in einem sein sollte, ein Imager und ein Spektrometer. Es erforderte einige clevere Designarbeiten.
„Wir haben einen Mechanismus, und wir verwenden nicht nur Licht, das von einer Seite scheint, sondern auch die andere Seite davon, nur um die Anzahl der Mechanismen, die wir verwenden, und den Platz, den wir einnehmen, zu minimieren. Es ist sehr interessant und sehr kompaktes optisches Design“, sagt Brian.
Das Instrument verwendet einen Lichtweg für seinen Imager und einen anderen für sein Spektrometer.
Selbst nachdem das Instrument fertiggestellt und zur Integration mit dem Rest des Teleskops an die NASA geliefert worden war, musste sich das Team noch weiteren Herausforderungen stellen.
Die Fertigstellung des äußerst komplizierten Teleskops dauerte länger, als sich irgendjemand vorgestellt hatte, und das bedeutete, dass MIRI und die anderen Instrumente viel länger als ursprünglich geplant am Boden überleben mussten. Konzipiert, um vor dem Start etwa drei Jahre auf der Erde zu bleiben, dauerte es fast ein Jahrzehnt länger, bis das Raumschiff die Umlaufbahn erreichte. Um die Gesundheit des Instruments zu gewährleisten, wurde MIRI unter streng kontrollierten Bedingungen gelagert und regelmäßig getestet.
Dann, am Weihnachtstag 2021, brachte eine Ariane-5-Rakete der ESA das Raumschiff in einem perfekten Start in die Umlaufbahn. In den folgenden Wochen und Monaten bereiteten Bodenteams das Teleskop und seine Instrumente vor und übergaben es an die Wissenschaftler.
Neben den anderen Instrumenten sendet MIRI nun die Daten zurück, von denen die Wissenschaftler geträumt hatten.
„Ja, vor allem diese ersten paar Monate waren ziemlich surreal“, sagt Sarah Kendrew, MIRI Instrument and Calibration Scientist, ESA. „Wir haben so viel Vorbereitungsarbeit mit simulierten Daten geleistet, also wussten wir in gewisser Weise, wie die Daten aussehen würden. Man könnte also denken, dass alles sehr vertraut aussieht, aber gleichzeitig ist es einfach wie, aber es kam aus dem Weltraum!“
Die Daten von MIRI waren in den allerersten Bildern, die von Webb veröffentlicht wurden, stark vertreten, einschließlich der „Berge“ und „Täler“ des Carina-Nebels, der interagierenden Galaxiengruppe Stephan Quintet und des südlichen Ringnebels. Nachfolgende Bilder haben die Messlatte sowohl in Bezug auf Schönheit als auch auf Wissenschaft immer höher gelegt.
Da MIRI jedoch einen so großen Fortschritt gegenüber allen früheren Instrumenten im mittleren Infrarotbereich darstellt, wird die Messlatte auch in Bezug auf die Fähigkeit zur Interpretation der Bilder höher gelegt. „MIRI gibt uns viele sehr neue Dinge, die schwieriger zu interpretieren sind, nur weil MIRI so einen großen Unterschied zu dem darstellt, was es vorher gab“, sagt Sarah.
Aber das ist die Essenz modernster Wissenschaft, und Astronomen bemühen sich bereits darum, detailliertere Computermodelle zu entwickeln, die ihnen mehr über die verschiedenen physikalischen Prozesse sagen können, die zu Messwerten im mittleren Infrarot führen.
„Es gibt ein riesiges Potenzial für neue Erkenntnisse mit MIRI, insbesondere bei der Sternentstehung und den Eigenschaften von Staub und Galaxien. Die Interpretation kann etwas länger dauern, aber ich denke, die neue Wissenschaft, die aus MIRI hervorgehen wird, wird wirklich, wirklich sein beachtlich“, sagt Sarah.
MIRI hat zusammen mit den anderen Instrumenten auf Webb das Potenzial, jeden Zweig der Astronomie voranzubringen. Es ist die Art von transformativer Wissenschaft, die nur durch eine große Steigerung der Fähigkeiten zustande kommt. Und es ist ein bemerkenswerter Beweis für die Teamarbeit und internationale Zusammenarbeit, die in das Teleskop im Allgemeinen und MIRI im Besonderen geflossen sind.
„Das, was MIRI möglich gemacht hat, war der Teamgeist. Wir wollten alle dasselbe, nämlich die Wissenschaft. Die Bereitschaft der Menschen, zusammenzuarbeiten und Probleme gemeinsam zu lösen, hat MIRI wirklich möglich gemacht“, sagt Gillian.