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.

Тернистый путь MIRI на Джеймс Уэбб

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.

Тернистый путь MIRI на Джеймс Уэбб

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.

Композиция газов вокруг активной чёрной дыры, полученная с помощью фильтров камеры MIRI. <a href="https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/034/01G7FJFCNKGARKRFM13FWQ881E?page=2&amp;keyword=MIRI&amp;filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Источник</a>.
Композиция газов вокруг активной чёрной дыры, полученная с помощью фильтров камеры MIRI. Источник.

Это интереснейший диапазон длин волн с точки зрения химии, с помощью которого вы можете понять процессы звездообразования и увидеть, что происходит в ядрах галактик.

Джиллиан Райт, возглавляет европейский консорциум устройства MIRI
<i>Галактика <a href="https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_inspects_the_heart_of_the_Phantom_Galaxy" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">M74</a> созвездия Рыб. Снимок JWST камерой MIRI</i>
Галактика M74 созвездия Рыб. Снимок JWST камерой MIRI

«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.

<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dark_Globule_in_IC_1396_(crop).jpg" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">IC 1396</a>. Композиция (слева) составлена из двух изображений: излучение на длине 24 микрона, измеренное фотометром (красное), сочетается с излучением в ближней инфракрасной области 3,6-4,5 микрон (синий) и 5,8/8,0 микрон (зеленый).
IC 1396. Композиция (слева) составлена из двух изображений: излучение на длине 24 микрона, измеренное фотометром (красное), сочетается с излучением в ближней инфракрасной области 3,6-4,5 микрон (синий) и 5,8/8,0 микрон (зеленый).
Сравнение изображений Хаббла (HST) и Спитцера (SST). <a href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/HUDF-JD2.jpg" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Источник</a>.
Сравнение изображений Хаббла (HST) и Спитцера (SST). Источник.

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.

Я возглавляла команду, которая дала довольно дерзкий ответ. В нем говорилось, что мы будем разрабатывать спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, но у нас также будет дополнительный канал для в среднего инфракрасного диапазона. И мы представили научное обоснование того, почему камера в среднем инфракрасном диапазоне нужна на аппарате.

Джиллиан Райт

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.

<a href="https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2022/07/Cosmic_cliffs_in_Carina_NIRCam_and_MIRI#:~:text=Called%20the%20Cosmic%20Cliffs%2C%20this,area%20shown%20in%20this%20image." rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Туманность Киля</a>. Совместная работа MIRI и NIRCam.
Туманность Киля. Совместная работа MIRI и NIRCam.

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.

Самым большим опасением было то, что разные подходы в приборостроении у NASA и ESA станут угрозой в создании инструмента.

Хосе Лоренцо Альварес, управляющий приборов MIRI в ESA.

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.

<a href="https://webb.nasa.gov/content/about/innovations/cryocooler.html" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Почитать больше про криокулер.</a> В оригинал этой статьи называется «<i>How MIRI became Webb’s coolest instrument</i>» и кажется я понял, почему... Жду лучшие варианты переводов с сохранением игры слов!
Почитать больше про криокулер. В оригинал этой статьи называется «How MIRI became Webb’s coolest instrument» и кажется я понял, почему... Жду лучшие варианты переводов с сохранением игры слов!

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.

Так что JWST как Луна, всегда повёрнут только одной стороной... если смотреть с Солнца. <a href="https://webb.nasa.gov/content/observatory/sunshield.html" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Источник</a> про экран.
Так что JWST как Луна, всегда повёрнут только одной стороной... если смотреть с Солнца. Источник про экран.

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.

Чтобы свести к минимуму тепловые утечки, нам пришлось выбрать некоторые довольно странные и довольно экзотические материалы жгута проводов, чтобы свести к минимуму теплопроводность с одной стороны на другую.

Брайан О’Салливан, системный инженер MIRI от ESA.

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.

По нашему механизму мы используем свет не только с одной стороны, но и с другой, просто чтобы свести к минимуму количество используемых механизмов и пространство, которое мы занимаем. Это очень интересная и очень компактная оптическая конструкция.

Брайан О’Салливан

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.

<a href="https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7DDDR3P8ZW10HD8MKXGV8MJ?page=2&amp;keyword=MIRI&amp;filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97" rel="nofollow noreferrer noopener" target="_blank">Первое изображение JWST</a>. Слева визуализация результатов MIRI, справа NIRCam. 
Первое изображение JWST. Слева визуализация результатов MIRI, справа NIRCam. 

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.

То, что сделало MIRI возможной, — это командный дух. Мы все хотели одного и того же — науки. Готовность людей работать вместе и решать проблемы сообща — вот что действительно привело MIRI к успеху.

Джиллиан Райт

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.

#s42 #JWST #джеймсуэбб #MIRI #астрономия #наука там столько конкурсов наплодили по статьям, есть какой-нибудь для научных? :D

33 показа
218218 открытий
22 репоста
1 комментарий

Статья познавательная, спасибо!

Ответить