Cómo MIRI se convirtió en el mejor instrumento de Webb


Ciencia y Exploración

11/08/2022
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los NASA/ESA/CSA Telescopio espacial James Webb es ampliamente conocido como el sucesor del Telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. En realidad, es el sucesor de mucho más que eso. Con la inclusión de la Instrumento de infrarrojo medio (MIRI)Webb también se convirtió en el sucesor de los telescopios espaciales infrarrojos como Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO) de la ESA y Telescopio espacial Spitzer de la NASA.

En las longitudes de onda del infrarrojo medio, el Universo es un lugar muy diferente al que estamos acostumbrados a ver con nuestros ojos. Extendiéndose de 3 a 30 micrómetros, el infrarrojo medio revela objetos celestes con temperaturas de 30 a 700ºC. En este régimen, los objetos que aparecen oscuros en las imágenes de luz visible ahora brillan intensamente.

Por ejemplo, las nubes de polvo en las que se forman las estrellas tienden a estar a estas temperaturas. Además, las moléculas tienden a ser fáciles de ver en estas longitudes de onda. «Es un rango de longitud de onda tan emocionante en términos de la química que puede hacer y la forma en que puede comprender la formación de estrellas y lo que sucede en los núcleos de las galaxias», dice Gillian Wright, investigadora principal del Consorcio Europeo detrás del instrumento MIRI. .

MIRI se asomó al corazón de M74, la Galaxia Fantasma para revelar los delicados filamentos de gas y polvo en los brazos espirales de la galaxia.

Nuestros primeros atisbos reales del cosmos del infrarrojo medio provinieron de ISO, que estuvo en funcionamiento entre noviembre de 1995 y octubre de 1998. Al llegar a la órbita en 2003, Spitzer hizo más progresos en longitudes de onda similares. Tanto los descubrimientos de ISO como los de Spitzer destacaron la necesidad de una capacidad de infrarrojo medio con un área de recolección más grande para una mejor sensibilidad y resolución angular para avanzar en muchas preguntas importantes en astronomía.

Gillian y otros comenzaron a soñar con un instrumento que pudiera ver el infrarrojo medio con vívidos detalles. Desafortunadamente para ellos, la ESA y la NASA vieron las longitudes de onda más cortas del infrarrojo cercano como el objetivo principal de Webb. La ESA tomaría la delantera en un espectrómetro de infrarrojo cercano, que se convirtió en NIRSpec, y la NASA puso su mira en un generador de imágenes que se convirtió en NIRCam.

Para no desanimarse, cuando la ESA emitió una convocatoria de propuestas para estudiar su instrumento espectrómetro de infrarrojo cercano, Gillian y sus colegas vieron una oportunidad.

“Dirigí un equipo que dio una respuesta bastante descarada. Dijo que estudiaremos el espectrógrafo de infrarrojo cercano, pero también tendremos un canal adicional para hacer toda esta ciencia del infrarrojo medio. Y presentamos el caso científico de por qué la astronomía del infrarrojo medio sería fantástica en Webb”, dice ella.

Aunque su equipo no ganó ese contrato en particular, el movimiento valiente ayudó a elevar el perfil de la astronomía del infrarrojo medio en Europa, y ella misma fue invitada a representar esos intereses científicos en otro estudio de la ESA que analizó la capacidad de la industria europea para construir instrumentación infrarroja. Con la asistencia de instituciones académicas de toda Europa, parte de ese estudio analizó la instrumentación de infrarrojo medio.

Los resultados fueron tan alentadores, al igual que los de estudios paralelos dirigidos por EE. UU., que el apetito por tal instrumento creció aún más. Al reunir en Europa una colaboración internacional de científicos e ingenieros dispuestos y capaces de diseñar y construir el instrumento, y recaudar el dinero crucial para hacerlo, Gillian y sus colaboradores alentaron y convencieron gradualmente a la ESA y la NASA para que lo incluyeran en Webb.

MIRI y NIRCam revelan un paisaje de montañas y valles en formación estelar en la Nebulosa Carina.

Los grandes consorcios no son una forma inusual de construir instrumentos de naves espaciales en Europa. La ESA a menudo construye la nave espacial o el telescopio y luego depende de consorcios de instituciones académicas e industriales para recaudar fondos de sus gobiernos nacionales para construir los instrumentos. Pero es inusual en los EE. UU., donde la NASA generalmente también financió la instrumentación.

Extender el liderazgo europeo en este método de trabajo al ámbito de la colaboración internacional con los EE. UU., en una misión emblemática de la NASA donde la cultura de la construcción de instrumentos es tan diferente, no era una receta garantizada para el éxito.

“El mayor temor era que esta complejidad fuera la mayor amenaza para el instrumento”, dice Jose Lorenzo Alvarez, MIRI Instrument Manager para ESA.

Pero la apuesta valió la pena, como explica José: “Fue sorprendente ver el cambio de actitud entre personas con culturas de trabajo completamente diferentes. En los primeros años, estábamos en una curva de aprendizaje. Al final, MIRI, que era más complejo desde el punto de vista organizativo, fue el primer instrumento que se entregó”.

Además de recaudar su propio dinero, el consorcio recibió otra advertencia: el instrumento no podría tener ningún impacto en las temperaturas de funcionamiento y la óptica del Webb. En otras palabras, el telescopio permanecería optimizado para los instrumentos del infrarrojo cercano y MIRI aceptaría todo lo que pudiera obtener. Esto limitaría el rendimiento del instrumento más allá de diez micrómetros, pero fue un pequeño precio a pagar por Gillian. “Nunca lo vi como un compromiso porque aún sería mejor que cualquier cosa que hayamos visto antes”, dice ella.

MIRI y NIRSpec observaron las cinco galaxias del Stephan’s Quintet para revelar las grandes fuerzas gravitatorias que actúan entre las galaxias que interactúan y la formación de estrellas que esto provoca en ellas.

Uno de los mayores obstáculos tecnológicos a superar fue que MIRI necesitaba operar a una temperatura más baja que los instrumentos de infrarrojo cercano. Esto se logró con el mecanismo de refrigeración criogénica proporcionado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. Para ser sensible a las longitudes de onda del infrarrojo medio, MIRI opera a alrededor de 6 Kelvin (–267 °C). Esto es más bajo que la temperatura superficial promedio de Plutón, que es de alrededor de 40 Kelvin (-233°C). Coincidentemente, esta temperatura es donde operan los otros instrumentos y el telescopio. Ambos tienen temperaturas extremadamente frías, pero debido a esa diferencia, el calor del telescopio aún se filtraría al MIRI una vez que se conectara al telescopio, a menos que los dos estuvieran aislados térmicamente entre sí.

“Para minimizar las fugas térmicas, tuvimos que elegir algunos materiales de arnés bastante extraños y bastante exóticos para minimizar la conductancia térmica de un lado al otro”, dice Brian O’Sullivan, ingeniero de sistemas MIRI para ESA.

Otro desafío fue el espacio limitado disponible para el instrumento en el telescopio. Esto se hizo aún más arduo ya que MIRI iba a ser efectivamente dos instrumentos en uno, un generador de imágenes y un espectrómetro. Requería un trabajo de diseño inteligente.

“Tenemos un mecanismo, y no solo usamos la luz que brilla en un lado, sino que también usamos el otro lado, solo para minimizar la cantidad de mecanismos que usamos y el espacio que ocupamos. Es un diseño óptico muy interesante y muy compacto”, dice Brian.

El instrumento utiliza un camino de luz para su creador de imágenes, y otra por su espectrómetro.

Incluso después de que el instrumento se completó y se entregó a la NASA para su integración con el resto del telescopio, el equipo tuvo que enfrentar más desafíos.

El telescopio ferozmente complicado tomó más tiempo en completarse de lo que nadie había imaginado y eso significaba que MIRI y los otros instrumentos tendrían que sobrevivir en el suelo por mucho más tiempo de lo planeado originalmente. Diseñado para permanecer en la Tierra durante unos tres años antes del lanzamiento, pasó casi una década más antes de que la nave espacial alcanzara la órbita. Para garantizar la salud del instrumento, MIRI se almacenó en condiciones estrictamente controladas y se probó periódicamente.

Luego, el día de Navidad de 2021, un cohete Ariane 5 de la ESA llevó la nave espacial a la órbita en un lanzamiento perfecto. En las semanas y meses que siguieron, los equipos de tierra prepararon el telescopio y sus instrumentos y se los entregaron a los científicos.

La vista fantasmal de MIRI de los Pilares de la Creación en la Nebulosa del Águila hace que los polvorientos pilares cobren una vida vívida aunque espeluznante. Dentro de cada pequeño ‘dedo’ que sobresale de estos grandes pilares, se está formando un sistema solar completo.

Junto con los otros instrumentos, MIRI ahora está enviando el tipo de datos con los que los científicos habían estado soñando.

“Sí, esos primeros meses en particular fueron bastante surrealistas”, dice Sarah Kendrew, Científica de Instrumentos y Calibración MIRI, ESA. “Habíamos estado haciendo mucho trabajo preparatorio con datos simulados, así que en cierto sentido sabíamos cómo se verían los datos. Entonces, podrías estar mirándolo pensando que todo parece muy familiar, pero al mismo tiempo, es como, ¡pero vino del espacio!

Los datos de MIRI aparecieron en gran medida en las primeras imágenes publicadas por Webb, incluidas las «montañas» y los «valles» de la nebulosa de Carina, el grupo de galaxias en interacción Stephan Quintet y la Nebulosa del Anillo Sur. Las imágenes posteriores han seguido subiendo el listón tanto en términos de belleza como de ciencia.

Sin embargo, debido a que MIRI es un gran paso adelante con respecto a cualquier instrumento de infrarrojo medio anterior, el listón también se eleva en términos de poder interpretar las imágenes. “MIRI nos brinda muchas cosas nuevas que son más difíciles de interpretar, simplemente porque MIRI es una gran diferencia con respecto a lo que había antes”, dice Sarah.

Pero esta es la esencia de la ciencia de vanguardia y los astrónomos ya están compitiendo para desarrollar modelos informáticos más detallados que puedan brindarles más información sobre los diversos procesos físicos que dan lugar a las lecturas del infrarrojo medio.

“Existe un gran potencial para una nueva comprensión con MIRI, particularmente en la formación de estrellas y las propiedades del polvo y las galaxias. Puede llevar un poco más de tiempo interpretarlo, pero creo que la nueva ciencia que surgirá de MIRI será realmente sustancial”, dice Sarah.

MIRI, junto con los demás instrumentos de Webb, tiene el potencial de hacer avanzar todas las ramas de la astronomía. Es el tipo de ciencia transformadora que surge solo a través de un gran aumento en la capacidad. Y es un testimonio notable del trabajo en equipo y la colaboración internacional que se llevó al telescopio en general, y al MIRI en particular.

“Lo que hizo que MIRI sucediera fue el espíritu de equipo. Todos queríamos lo mismo, que era la ciencia. La disposición de las personas para trabajar juntas y resolver problemas juntas fue realmente lo que hizo que MIRI sucediera”, dice Gillian.

Y ahora todo el mundo se está beneficiando.

Los instrumentos de Webb: conoce a MIRI

Más información
Webb es el telescopio más grande y poderoso jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. Trabajando con socios, la ESA fue responsable del desarrollo y calificación de las adaptaciones de Ariane 5 para la misión Webb y de la adquisición del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo caballo de batalla NIRSpec y el 50% del instrumento de infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de Institutos Europeos financiados a nivel nacional (El Consorcio Europeo MIRI) en asociación con JPL y la Universidad de Arizona. Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).

El consorcio MIRI estaba formado por instituciones e industrias de diez países europeos, la ESA y la NASA. Los principales socios del consorcio fueron: Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Airbus UK, Universidad de Leicester, laboratorio Rutherford Appleton, Universidad de Cardiff, Reino Unido; DIAS, Irlanda; CSL, Universidad de Lovaina, Bélgica; CEA, LESIA/LAM, Francia; INTA, España; Universidad de Estocolmo, Suecia; DTUSpace, Dinamarca; Grupo NOVA IR, Universidad de Leiden, Países Bajos; MPIA Heidelberg, Universidad de Köln, Alemania; ETH, Portada, Suiza.



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