Jak se rodil nejchladnější přístroj na JWST?

Přístroj MIRI

Teleskop Jamese Webba, společné dílo americké, evropské a kanadské kosmické agentury, bývá někdy označován jako nástupce Hubbleova teleskopu. To však není tak přesné. V zásadě můžeme říct, že je pokračovatelem více teleskopů. Díky zapojení přístroje MIRI (Mid-InfraRed Instrument) se JWST stal také nástupcem teleskopů jako byl evropský ISO (Infrared Space Observatory), či americký Spitzer. Na středních infračervených vlnových délkách vypadá vesmír velmi odlišně, než na co jsme zvyklí při pohledu našima očima. Toto konkrétní pásmo se táhne mezi vlnovými délkami 3 – 30 mikrometrů a můžeme v něm odhalit kosmické objekty o teplotách 30 – 700 °C. V takovém případě jsou i objekty, které se ve viditelném světle jeví tmavé, krásně jasné.

Pozemní příprava teleskopu ISO.

Pozemní příprava teleskopu ISO.
Zdroj: https://www.esa.int/

Kupříkladu prašná mračna, ze kterých vznikají hvězdy, mívají tyto teploty. Kromě toho jsou na těchto vlnových délkách snáze detekovatelné molekuly. „Je to mimořádně výjimečná část spektra z pohledu chemie, kterou můžete studovat. Je díky tomu možné porozumět procesu vzniku hvězd i tomu, co se odehrává v jádrech galaxií,“ vysvětluje Gillian Wright, hlavní vědecká pracovnice evropského konsorcia, které stojí za přístrojem MIRI. Lidstvo získalo první náznaky pohledů na vesmír ve středních infračervených vlnových délkách díky výše zmíněnému teleskopu ISO, který fungoval mezi listopadem 1995 a říjnem 1998. V roce 2003 pak do kosmického prostoru dorazil Spitzerův teleskop, který na těchto vlnových délkách umožnil další pokrok. Objevy ISO i Spitzera zdůrazňují, jak důležité je mít schopnost pozorovat vesmír ve střední infračervené oblasti na větší sběrné ploše pro lepší citlivost a úhlové rozlišení, aby bylo možné pokročit v hledání odpovědí na mnoho velkých astronomických otázek.

Gillian Wright a její další kolegové začali snít o přístroji, který by dokázal pořizovat snímky ve střední infračervené oblasti v úžasných detailech. Bohužel pro ně však agentury ESANASA považovaly kratší vlnové délky infračerveného záření za primární úkol Webbova teleskopu. ESA se postavila do čela vývoje infračerveného spektrometru, který dnes známe jako NIRSpec a NASA se pro změnu zaměřila na snímač, ze kterého vznikla kamera NIRCam. Když však ESA vydala výzvu k podávání návrhů na studii jejich infračerveného spektrometru pro blízkou infračervenou oblast, Wright spolu s kolegy se nedala odradit a vycítila šanci.

Snímek Stephanova kvintetu pořízený přístrojem MIRI.

Snímek Stephanova kvintetu pořízený přístrojem MIRI.
Zdroj: https://esawebb.org/

Vedla jsem tým, který na výzvu reagoval vcelku drzou odpovědi. Napsali jsme, že budeme studovat možnosti blízkého infračerveného spektrografu, ale budeme mít také další kanál, který bude dělat všechnu vědeckou práci ve střední infračervené oblasti. A k tomu jsme předložili vědecké argumenty, proč by astronomie ve střední infračervené oblasti byla na Webbu fantastická,“ vzpomíná dnes Gillian Wright. Její tým sice nevyhrál tento konkrétní kontrakt, ovšem odvážný krok pomohl ke zvýšení kreditu střední infračervené astronomie v Evropě. Wright pak byla pozvána do další evropské studie, která prozkoumávala možnosti evropských firem postavit infračervené přístroje. S pomocí akademických institucí v celé Evropě se část studie zaměřila i na přístrojové vybavení pro střední infračervenou oblast.

Výsledky byly natolik povzbudivé, jako ty, které vyšly z paralelně prováděných amerických studií. Hlad po takovém přístroji se proto ještě zvýšil. Wright se spolupracovníky nasbírali po Evropě vědce a inženýry, kteří byli ochotni a schopni tento přístroj navrhnout a postavit. Kromě vytvoření tohoto mezinárodního týmu se však také podařilo sehnat peníze na přístroj samotný. Tým kolem Gillian Wright nejprve podnítil a postupně i přesvědčil agentury ESA a NASA, aby tento přístroj mohl být zařazeny na palubu Webba. Velká konsorcia nejsou neobvyklou cestou, jak v Evropě postavit přístroje pro kosmické sondy. Agentura ESA často staví sondy či teleskopy, přičemž spoléhá na konsorcia akademických a průmyslových institucí, které zajišťují financování stavby přístrojů ze svých národních programů. Takový přístup je naopak poměrně neobvyklý v USA, kde NASA povětšinou financuje i přístrojové vybavení.

Ve středních vlnových délkách infračerveného spektra je prach prostupnější pro tepelné záření. Vidíme tak vznikající, nebo nově vzniklé hvězdy uvnitř mlhoviny nebo přímo protoplanetární disky. Snímek mlhoviny Carina složený z fotek přístrojů NIRCam a MIRI.<br>Zdroj: esawebb.org

Ve středních vlnových délkách infračerveného spektra je prach prostupnější pro tepelné záření. Vidíme tak vznikající, nebo nově vzniklé hvězdy uvnitř mlhoviny nebo přímo protoplanetární disky. Snímek mlhoviny Carina složený z fotek přístrojů NIRCam a MIRI.
Zdroj: esawebb.org

Rozšíření vedoucího postavení Evropy v tomto přístupu k práci do oblasti mezinárodní spolupráce s USA (a navíc na stěžejní misi NASA), kde je kultura výroby přístrojů natolik odlišná, rozhodně nemělo zaručený úspěch. „Největší obavy panovaly kolem toho, že taková komplexnost by pro přístroj představovala největší riziko,“ vzpomíná Jose Lorenzo Alvarez, manažer přístroje MIRI z agentury ESA a dodává, že se sázka vyplatila: „Bylo překvapivé vidět změnu vztahů mezi lidmi z prostředí s kompletně odlišnými kulturami. V prvních letech jsme se vlastně jen učili. Nakonec byl jako první dodán přístroj MIRI, který byl organizačně složitější.

Mlhvina Tarantule pohledem přístroje MIRI.

Mlhvina Tarantule pohledem přístroje MIRI.
Zdroj: https://esawebb.org/

Kromě zajištění vlastních financí dostalo konsorcium ještě jednu podmínku – přístroj nesmí mít žádný vliv na provozní teploty a optiku JWST. Tato podmínka jinými slovy znamenala, že teleskop samotný stále zůstane optimalizován pro přístroje pracující v blízké infračervené oblasti. MIRI se tak musí spokojit s tím, co bude mít k dispozici. To by omezilo výkonnost přístroje za hranicí deset mikrometrů, ale podle Gillian Wright to zase až takový problém nebyl. „Nikdy jsem to nebrala jako kompromis, protože jsem věděla, že to pořád bude lepší než cokoliv, co jsme doposud viděli,“ vzpomíná dnes.

Jedna z největších technologických překážek, kterou bylo potřeba překonat, souvisela s potřebou MIRI pracovat na nižších teplotách, než jaké vyžadují přístroje fungující v blízké infračervené oblasti. Toho se podařilo dosáhnout díky kryochladiči, který poskytla americká Jet Propulsion Laboratory. Pro zajištění citlivosti na střední infračervené vlnové délky, je přístroj MIRI provozován při teplotě kolem 6 kelvinů (-267 °C). Pro lepší představu – i na Plutu je tepleji. Naměřili bychom tam okolo 40 kelvinů (-233 °C). To je mimochodem teplota, na které pracují ostatní přístroje JWST. V obou případech jde o extrémně nízké teploty, ovšem kvůli tomuto rozdílu by teplo z teleskopu proudilo do připojeného přístroje, pokud by obě části nebyly navzájem tepelně izolovány.

Centrální část Fantomové galaxie na snímku z MIRI.

Centrální část Fantomové galaxie na snímku z MIRI.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

Abychom minimalizovali tepelné pronikání, museli jsme sáhnout po docela zvláštních a vcelku exotických materiálech, které minimalizují vedení tepla z jedné strany na druhou,“ vzpomíná Brian O’Sullivan, systémový inženýr přístroje MIRI z ESA. Další výzvou byl omezený prostor dostupný pro přístroj uvnitř teleskopu. Tento problém ještě zhoršovala skutečnost, že MIRI jsou vlastně dva přístroje (snímač a spektrometr) v jednom. Bylo jasné, že je potřeba chytré řešení. „Máme mechanismus a používáme nejen světlo přicházející z jedné strany, ale také z druhé strany. Minimalizujeme tak počet použitých mechanismů i prostor, který zabíráme. Je to velmi zajímavá a velmi kompaktní optická konstrukce,“ pochvaluje si Brian O’Sullivan. Jedna z cest světla slouží pro snímač a druhou využívá spektrometr.

Galaxie Kolo od vozu na fotografii z MIRI.

Galaxie Kolo od vozu na fotografii z MIRI.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

Dokonce i poté, co byl přístroj dokončen a předán NASA k integraci do zbytku teleskopu, se objevilo několik výzev, kterým musel tým čelit. Extrémně složitý teleskop potřeboval k dokončení více času, než kdokoliv čekal. To ale znamenalo, že MIRI (ale i ostatní přístroje) musí přežít v zemském prostředí mnohem déle, než se původně plánovalo. Plány totiž počítaly s tím, že přístroje budou na Zemi jen asi tři roky a pak přijde start. Tomu byl také přizpůsoben design přístrojů. Nakonec se ale ze tří let stala skoro dekáda, než se JWST i s přístroji dostal do kosmického prostoru. Aby byl zajištěn dobrý stav přístroje, byly skladovány v důsledně řízeném prostředí a pravidelně probíhaly testy.

Na první svátek Vánoční roku 2021 evropská raketa Ariane 5 vyrazila vstříc obloze a při svém učebnicovém startu vynesla Webbův teleskop. V týdnech a měsících, které následovaly, se pozemní týmy věnovaly přípravě teleskopu a jeho přístrojů na jejich předání vědcům. Společně s ostatními přístroji nám nyní MIRI posílá data, o kterých vědci mohli dříve pouze snít. „No ano, především těch prvních měsíců bylo doopravdy neskutečných,“ říká Sarah Kendrew, vědkyně z ESA, která se specializovala na kalibrační proces a dodává: „Provedli jsme mnoho přípravných prací se simulovanými daty. V určitém smyslu jsme tedy věděli, jak zhruba budou data vypadat. Pak jsme se na ně mohli podívat a říct si, že vám to všechno připadá velmi povědomé, ale zároveň jste si říkali, ale vždyť tohle přišlo z vesmíru!

Centrální část galaxie IC 5332 na snímku pořízeném přístrojem MIRI.

Centrální část galaxie IC 5332 na snímku pořízeném přístrojem MIRI.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

Data z MIRI se výraznou měrou podílela na porci prvních zveřejněných vědeckých snímků z JWST. Přístroj MIRI nám tehdy ukázal své pohledy na mlhovinu Carina, interagující galaxie Stephanova kvintetu, nebo na Jižní prstencovou mlhovinu. Následující snímky pak pokračovaly ve zvyšování laťky jak z hlediska vizuální krásy, tak i vědeckých přínosů. Ale protože je MIRI tak velkým skokem oproti předešlým kosmickým přístrojům pracujícím ve střední infračervené oblasti, došlo také ke zvýšení laťky z hlediska schopnosti interpretovat snímky. „MIRI nám dává mnoho nových věcí, které se těžko interpretují, protože MIRI představuje ohromný rozdíl oproti tomu, co tu bylo dříve,“ vysvětluje Sarah Kendrew.

Sloupy stvoření v Orlí mlhovině pohledem přístroje MIRI na JWST.

Sloupy stvoření v Orlí mlhovině pohledem přístroje MIRI na JWST.
Zdroj: https://esawebb.org/

To je však čistá esence špičkové vědy a astronomové se už předhání v tom, kdo vyvine podrobnější počítačové modely, které nám budou moci říct více o rozličných fyzikálních procesech, které způsobují to, že ve střední infračervené oblasti vidíme to, co tam díky MIRI vidíme. „Je tu ohromný potenciál pro nové objevy díky MIRI, především v oborech vzniku hvězd a vlastnostech prachu a galaxií. Možná jejich interpretace potrvá trošku déle, ale myslím si, že nová věda, která vzejde z MIRI, bude opravdu, ale opravdu zásadní,“ prohlašuje Sarah Kendrew. MIRI (společně s dalšími přístroji na JWST) má potenciál posunout dál všechny astronomické obory. Podle agentury ESA se jedná o transformační vědu, která vzniká pouze díky výraznému nárůstu schopností. Je to také pozoruhodný důkaz týmové práce a mezinárodní spolupráce, která se na JWST obecně a na MIRI konkrétně podílela.

Jestli něco pomohlo MIRI zhmotnit a realizovat, byl to týmový duch. Všichni jsme chtěli to samé, což byla věda. Ochota lidí spolupracovat a společně řešit problémy, byla doopravdy co umožnilo vznik MIRI,“ přemítá Gillian Wright. A nyní z odhodlání těchto lidí profituje celý svět.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://webb.nasa.gov/images/miri.jpg
https://www.esa.int/…/2003/04/iso_pr_vg/9699005-3-eng-GB/ISO_PR_VG.jpg
https://esawebb.org/media/archives/images/original/potm2207a.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2205b.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2212b.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/potm2208a.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2211b.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/potm2209a.tif
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2218a.tif

Print Friendly, PDF & Email

Kontaktujte autora: hlášení chyb, nepřesností, připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.