Тернистый путь MIRI на Джеймс Уэбб

MIRI — один из важнейших инструментов на борту телескопа Джеймс Уэбб. Совсем недавно ESA поделилась информацией, что MIRI изначально вообще не планировался, а когда проект первый раз попал на стол — его отклонили. По этому поводу, я решил сделать для вас перевод их статьи и разбавить её своими пояснениями.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) часто считают преемником аппрата Хаббл. На самом деле Уэбб является результатом куда большего количества устройств и скорее дополняет Хаббла. Ведь с включением Mid-InfraRed Instrument (MIRI), JWST также стал преемником инфракрасных космических телескопов, таких как Инфракрасная космическая обсерватория ESA (ISO) и космический телескоп NASA Спитцер, работающих в среднем инфракрасном диапазоне. В отличие от ближнего инфракрасного, в котором работает камера Хаббла, NICMOS.

Инфракрасные телескопы не просто так посылают в космос, оттуда виды намного лучше по ряду причин, одна из которых — отсутствие атмосферы. Так уж химически сложилось, что земная атмосфера не пропускает инфракрасный спектр, да и не только его, поэтому лучше всего вести подобные наблюдения именно из космоса.

В среднем инфракрасном диапазоне Вселенная сильно отличается от той, которую мы привыкли видеть своими глазами. Средний инфракрасный диапазон, в астрономии, включает волны от 5 до 30 микрометров и позволяет обнаружить небесные объекты с температурой от 30 до 700ºC. В этом диапазоне объекты, которые в видимом диапазоне кажутся темными, теперь ярко светятся.

Например, пылевые облака, в которых формируются звезды, обычно имеют такие температуры. Кроме того, на этих длинах волн легко определить молекулы.

«Первый свет» космоса в среднем инфракрасном диапазоне был получен от аппарата ISO, который работал с ноября 1995 по октябрь 1998 года. Прибыв на орбиту в 2003 году, Спитцер добился прогресса на аналогичных длинах волн. Открытия ISO и Спитцера подчеркнули необходимость использования возможностей среднего инфракрасного диапазона для решения многих важных вопросов в астрономии. Но для этого необходим был аппарат с большей площадью сбора для лучшей чувствительности и углового разрешения.

Джиллиан Райт и другие начали мечтать об инструменте, который мог бы видеть среднюю часть инфракрасного диапазона в ярких деталях. К несчастью для них, ESA и NASA рассматривали более короткие длины волн ближнего инфракрасного диапазона в качестве основной цели для Уэбба. ESA должно было возглавить разработку спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec), а NASA нацелилось на тепловизор (NIRCam).

Неудивительно, что, когда ESA объявило конкурс предложений по разработке своего прибора-спектрометра ближнего инфракрасного диапазона, Джиллиан и ее коллеги увидели шанс.

Но её команда не выиграла этот контракт. Смелый шаг помог привлечь внимание к этому типу излучений в Европе и Джиллиан пригласили представлять её научные интересы в другом исследовании ESA. В нём рассматривалась способность европейской промышленности создавать инфракрасные приборы, часть этого исследования как раз была посвящена приборам среднего инфракрасного диапазона.

Результаты были настолько обнадеживающими, что интерес к такому инструменту возрос ещё больше. Устроив международное сотрудничество ученых и инженеров, способных спроектировать и построить прибор, Джиллиан и ее сотрудники постепенно убедили ESA и NASA о необходимости включения подобного прибора в программу Уэбба.

Крупные консорциумы не являются необычным способом создания приборов для космических аппаратов в Европе. ESA часто проектирует космические аппараты или телескопы, а затем полагается на консорциумы академических и промышленных учреждений, чтобы привлечь средства для создания приборов. Что, в свою очередь, необычно для США, где NASA обычно финансирует разработку аппаратов.

Одним из самых больших технологических препятствий, которые необходимо было преодолеть, было то, что MIRI должен был работать при более низкой температуре, чем приборы ближнего инфракрасного диапазона. Проблема была решена с помощью криокулера NASA.

Чтобы быть чувствительным к длинам волн среднего инфракрасного диапазона, MIRI должен работать при температуре около 6 Кельвинов (-267°C). Иначе в детекторах появятся дополнительные шумы от самой аппаратуры. Для примера, эта температура ниже, чем средняя температура поверхности Плутона, которая составляет около 40 Кельвинов (-233°C). По совпадению, именно при этой температуре работают другие приборы и телескоп. Она достигается пассивным эффектом, благодаря теплозащитному экрану из каптона.

Температуры аппарата и устройства чрезвычайно низкие, но из-за этой разницы тепло от телескопа все равно просачивалось бы в MIRI, если только они не были термически изолированы друг от друга.

Еще одной проблемой было ограниченное пространство, доступное для прибора на телескопе. Это было еще более затруднительно, поскольку MIRI должен был фактически представлять собой два прибора в одном — тепловизор и спектрометр. Это потребовало некоторой хитрой дизайнерской работы.

Прибор использует один световой путь для своего формирования изображения:

А второй — для своего спектрометра:

Несмотря на то, что MIRI был первым готовым оборудованием для JWST, это не было плюсом, а наоборот повлекло за собой проблему хранения. Оборудованию пришлось почти десять лет ожидать готовности телескопа. Но несомненно можно заявить, что ожидание того стоило, и 25 декабря 2021 ракета-носитель Ariane 5 успешно стартовала. А команде учёных предстояло успешно вывести аппарат на необходимую орбиту и подготовить все инструменты к работе.

Данные MIRI были широко представлены на первых изображениях, опубликованных Уэббом. Новые изображения подняли планку как с эстетической точки зрения, так и с научной.

MIRI, вместе с другими приборами Уэбба, обладает огромным потенциалом для продвижения астрономии вперед. И это замечательное свидетельство командной работы и международного сотрудничества, которые были заложены в телескоп в целом и MIRI в частности.

И теперь весь мир созерцает плоды этого труда.

Ещё больше изображений телескопа Джеймс Уэбб можно найти на сайте телескопа. Спасибо, что прочли, надеюсь вам было довольно интересно узнать какой тернистый путь проделала MIRI, чтобы занять своё место под теплозащитным экраном.