Hoe MIRI het coolste instrument van Webb werd

Bij middel-infrarode golflengten ziet het heelal er heel anders uit dan hoe wij het gewoonlijk met onze ogen zien. Het middel-infrarood, dat zich uitstrekt van 3 tot 30 micrometer, onthult hemellichamen met temperaturen van 30 tot 700ºC. In dit regime stralen objecten die er op afbeeldingen met zichtbaar licht donker uitzien, nu helder. 

De stofwolken waarin sterren worden gevormd, hebben bijvoorbeeld meestal deze temperaturen. Bovendien zijn bij deze golflengten doorgaans gemakkelijk moleculen te zien. "Het is een enorm boeiend golflengtebereik als men kijkt naar de mogelijkheden op chemisch gebied, en de manier waarop je stervorming en wat er gebeurt in de kernen van sterrenstelsels kunt begrijpen," zegt Gillian Wright, de hoofdonderzoekster van het Europese consortium achter het MIRI-instrument.

De eerste echte glimp van de middel-infrarode kosmos werd opgevangen door ISO, die tussen november 1995 en oktober 1998 operationeel was. Toen Spitzer in 2003 in een baan om de aarde werd gebracht, boekte deze verdere vooruitgang op soortgelijke golflengten. De ontdekkingen van zowel ISO als Spitzer onderstreepten de behoefte aan middel-infrarood mogelijkheden met een groter zoekgebied voor een betere gevoeligheid en hoekresolutie om antwoorden te helpen zoeken op vele grote vragen in de astronomie. 

Gillian en anderen begonnen te dromen van een instrument waarmee ze het middel-infrarood in levendig detail konden zien. Helaas voor hen zagen ESA en NASA de kortere golflengten van het nabij-infrarood als het primaire doel voor Webb. ESA zou het voortouw nemen met een nabij-infrarood spectrograaf, de latere NIRSpec, en NASA koos voor een imager, wat de NIRCam werd. 

Toen ESA een oproep deed tot het indienen van voorstellen om de nabij-infrarood spectrograafinstrument te onderzoeken, zagen Gillian en haar collega’s een mogelijkheid. 

"Ik leidde een team dat met lef reageerde. Er stond dat we de nabij-infrarood spectrograaf zouden onderzoeken, maar we zouden ook een extra kanaal hebben waarin we al die middel-infrarood wetenschap zouden doen. En we presenteerden de wetenschappelijke argumenten waarom astronomie in het middel-infrarood fantastisch zou zijn op Webb," zegt ze. 

Hoewel haar team dat specifieke contract niet won, hielp de moedige zet om het profiel van de middel-infrarode astronomie in Europa te verhogen, en Gillian zelf werd uitgenodigd om die wetenschappelijke belangen te vertegenwoordigen in een ander ESA-onderzoek waarin het vermogen van de Europese industrie om infraroodinstrumenten te bouwen, in kaart werd gebracht. Bijgestaan door academische instellingen uit heel Europa werd in een deel van dat onderzoek gekeken naar middel-infrarode instrumenten. 

De resultaten waren zo bemoedigend, net als die van parallelle studies in de VS, dat de wens voor een dergelijk instrument nog groter werd. Door in Europa een internationaal samenwerkingsverband op te zetten van wetenschappers en ingenieurs die bereid en in staat waren het instrument te ontwerpen en te bouwen – en vooral het geld daarvoor bijeen te brengen – hebben Gillian en haar medewerkers ESA en NASA aangemoedigd en geleidelijk overtuigd om het in Webb op te nemen.

Grote consortia zijn in Europa geen ongebruikelijke manier bij de bouw van instrumenten voor ruimtevaartuigen. ESA bouwt vaak het ruimtevaartuig of de telescoop en vertrouwt vervolgens op consortia van academische en industriële instellingen om bij hun nationale regeringen fondsen te werven voor de bouw van de instrumenten. Maar dat is ongebruikelijk in de VS, waar de NASA gewoonlijk ook de instrumentatie financierde. 

De uitbreiding van het Europese leiderschap in deze manier van werken naar de internationale samenwerking met de VS, bij een paradepaardje van de NASA waar de cultuur van instrumentenbouw zo anders is, was geen gegarandeerd recept voor succes. 

"De grootste angst was dat deze complexiteit de grootste bedreiging zou vormen voor het instrument," zegt Jose Lorenzo Alvarez, MIRI Instrument Manager voor ESA. 

Maar het loonde om de gok te wagen, zoals Jose uitlegt: "Het was verrassend om de verandering in houding te zien van mensen met totaal verschillende werkculturen. De eerste jaren zaten we in een leercurve. Uiteindelijk werd MIRI, dat organisatorisch complexer was, het eerste instrument dat moest worden afgeleverd." 

Het consortium moest niet alleen zelf voor de financiering zorgen, maar kreeg ook een andere voorwaarde opgelegd: het instrument mocht geen invloed hebben op de bedrijfstemperaturen en de optiek van Webb. Met andere woorden, de telescoop zou geoptimaliseerd blijven voor de nabij-infrarood instrumenten, en MIRI zou het moeten doen met wat er overbleef. Hiermee zouden de prestaties van het instrument voorbij de tien micrometer worden beperkt, maar voor Gillian was dit slechts een kleine opoffering. "Ik zag het nooit als een concessie omdat het nog steeds beter zou zijn dan alles wat we ooit eerder hadden gezien," zegt ze.

Een van de grootste technologische hindernissen was dat MIRI op een lagere temperatuur moest werken dan de nabij-infrarood instrumenten. Dit werd bereikt met het cryokoelermechanisme van NASA's Jet Propulsion Laboratory. Om gevoelig te zijn voor de middel-infrarode golflengten, werkt MIRI bij ongeveer 6 Kelvin (-267°C). Dit is lager dan de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van Pluto, die rond de 40 Kelvin (-233°C) ligt. Toevallig is dit de temperatuur waarop de andere instrumenten en de telescoop werken. Beide temperaturen zijn extreem koud, maar vanwege het verschil zou er toch warmte van de telescoop naar MIRI lekken zodra hij op de telescoop zou worden aangesloten, tenzij de twee thermisch van elkaar geïsoleerd zouden worden. 

"Om de thermische lekken te minimaliseren, moesten we een aantal nogal vreemde en vrij exotische materialen voor de behuizing kiezen om de thermische geleiding van de ene naar de andere kant te minimaliseren," zegt Brian O'Sullivan, MIRI System Engineer voor ESA. 

Een andere uitdaging was de beperkte ruimte die in de telescoop voor het instrument beschikbaar was. Dit was des te moeilijker omdat MIRI in feite twee instrumenten in één moest zijn, een imager én een spectrograaf. Dat vroeg om slim ontwerpwerk. 

"We hebben een mechanisme, en we gebruiken niet alleen licht dat op één kant schijnt, maar we gebruiken ook de andere kant ervan, gewoon om het aantal mechanismen dat we gebruiken en de ruimte die we innemen te beperken. Het is een zeer interessant en zeer compact optisch ontwerp," zegt Brian. 

Het instrument gebruikt één lichtpad voor de imager en een ander voor de spectrometer. 

Zelfs nadat het instrument was voltooid en aan NASA was geleverd voor integratie met de rest van de telescoop, moest het team het hoofd bieden aan verdere uitdagingen. 

De voltooiing van de uiterst gecompliceerde telescoop duurde langer dan iedereen had gedacht en dat betekende dat MIRI en de andere instrumenten veel langer op de grond moesten blijven dan oorspronkelijk gepland. Het instrument was ontworpen om ongeveer drie jaar op aarde te blijven vóór de lancering, maar het duurde bijna tien jaar voordat het ruimtevaartuig een baan om de aarde bereikte. Om ervoor te zorgen dat het instrument in een goede toestand bleef, werd MIRI onder strikt gecontroleerde omstandigheden opgeslagen en periodiek getest. 

Op kerstdag van 2021 bracht een Ariane 5-raket van ESA het ruimtevaartuig na een perfecte lancering in een baan om de aarde. In de weken en maanden die volgden, maakten de grondteams de telescoop en de instrumenten ervan gereed en droegen ze over aan de wetenschappers.

Samen met de andere instrumenten stuurt MIRI nu het soort gegevens terug waarvan de wetenschappers hadden gedroomd. 

"Ja, vooral die eerste maanden waren nogal onwerkelijk," zegt Sarah Kendrew, MIRI Instrument and Calibration Scientist, ESA. "We hadden zoveel voorbereidend werk gedaan met gesimuleerde gegevens, dus in zekere zin wisten we hoe de gegevens eruit zouden zien. Je kunt er dus naar kijken en denken dat het er allemaal heel bekend uitziet, maar tegelijkertijd besef je dan: het komt uit de ruimte!" 

De gegevens van MIRI waren prominent aanwezig in de allereerste beelden van Webb, waaronder de 'bergen' en 'dalen' van de Carina-nevel, de interactie in het sterrenstelsel Kwintet van Stephan, en de Zuidelijke Ringnevel. Latere beelden hebben de lat steeds hoger gelegd, zowel wat betreft schoonheid als wetenschap. 

Maar omdat MIRI zo'n grote stap vooruit is ten opzichte van alle voorgaande middel-infrarood instrumenten, ligt de lat ook hoger wat betreft de mogelijkheden om de beelden te interpreteren. "MIRI geeft ons een heleboel heel nieuwe dingen die moeilijker te interpreteren zijn, gewoon omdat het verschil tussen MIRI en wat er voorheen was zo groot is," zegt Sarah. 

Maar dit is de essentie van baanbrekende wetenschap, en astronomen zijn hard bezig met het ontwikkelen van meer gedetailleerde computermodellen die hen meer kunnen vertellen over de verschillende fysische processen die leiden tot middel-infrarood metingen. 

"Er is een enorm potentieel voor nieuwe inzichten met MIRI, met name in stervorming en de eigenschappen van stof en sterrenstelsels. Het duurt misschien wat langer om te interpreteren, maar ik denk dat de nieuwe wetenschap die uit MIRI zal voortkomen echt heel belangrijk zal zijn," zegt Sarah. 

MIRI heeft, samen met de andere instrumenten op Webb, het potentieel om elke tak van de astronomie vooruit te helpen. Het is het soort transformerende wetenschap die alleen tot stand komt door een grote stap voorwaarts in mogelijkheden. En het is een opmerkelijk bewijs van het teamwerk en de internationale samenwerking die aan de telescoop in het algemeen en aan MIRI in het bijzonder ten grondslag liggen. 

"Wat MIRI mogelijk heeft gemaakt, was team spirit. We wilden allemaal hetzelfde, namelijk de wetenschap. De bereidheid van mensen om samen te werken en samen problemen op te lossen was echt wat MIRI mogelijk heeft gemaakt," zegt Gillian. 

En nu profiteert de hele wereld ervan.

Webb’s instruments: meet MIRI
Access the video

Meer informatie
Webb is de grootste en krachtigste telescoop die ooit in de ruimte is gelanceerd. In het kader van een internationale samenwerkingsovereenkomst heeft ESA de lancering van de telescoop verzorgd met behulp van de Ariane 5-draagraket. Gedurende de samenwerking met de partners was ESA verantwoordelijk voor de ontwikkeling en kwalificatie van de aanpassingen aan de Ariane 5 voor de Webb-missie en voor de aankoop van de lanceerdienst door Arianespace. ESA leverde ook de krachtige spectrograaf NIRSpec en 50% van het middel-infrarood instrument MIRI, dat is ontworpen en gebouwd door een consortium van nationaal gefinancierde Europese instituten (het MIRI European Consortium) in samenwerking met JPL en de Universiteit van Arizona.Webb is een internationaal samenwerkingsverband van NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie (CSA).

Het MIRI-consortium bestond uit instellingen en bedrijven uit tien Europese landen, ESA en NASA. De belangrijkste consortiumpartners waren: UK Astronomy Technology Centre, Airbus UK, Universiteit van Leicester, Rutherford Appleton laboratory, Universiteit van Cardiff, VK; DIAS, Ierland; CSL, Universiteit van Leuven, België; CEA, LESIA/LAM, Frankrijk; INTA, Spanje; Universiteit van Stockholm, Zweden; DTUSpace, Denemarken; NOVA IR Group, Universiteit van Leiden, Nederland; MPIA Heidelberg, Universiteit van Keulen, Duitsland; ETH, Cover, Zwitserland.