In James-Webb-Teleskop zit technologie uit Heidelberg

Kunstenaarsweergave van Webb op een Ariane 5-raket. (Copyright: ESA / D. Ducros)

Werk in de cleanroom: MIRI is een gecombineerd instrument van camera en spectrometer. Belangrijke mechanische componenten werden ontwikkeld en gebouwd aan het Max Planck-instituut voor Astronomie in Heidelberg. © Stephen Kill / STFC

Bewegliche Hightech: Das Filterrad macht MIRI zu einem wissenschaftlichen Instrument. Mit Ausnahme der optischen Elemente hat das Max-Planck-Institut für Astronomie dieses Bauteil geplant, konstruiert, gebaut und getestet. Die 18 optischen Elemente enthalten Filter zur Eingrenzung des Wellenlängenbereichs, Koronografen zur Abdeckung heller Objekte sowie ein Prisma. © MPIA / Het filterrad maakt van MIRI een wetenschappelijk instrument. Met uitzondering van de optische elementen heeft het MPIA dit onderdeel gepland, ontworpen, gebouwd en getest. De 18 optische elementen omvatten filters om het golflengtebereik te beperken, coronografen om heldere objecten te bedekken en een prisma. © MPIA

Groepsfoto onder de telescoop: Deze foto is genomen ter gelegenheid van een James Webb Consortium-bijeenkomst en toont de afmetingen van het ruimtetelescoop. Het model van deze James Webb Space Telescope is gelijk aan de grootte van het origineel. © Örs Hunor Detre / MPIA / Deze foto, genomen op de gelegenheid van een James Webb Consortium-bijeenkomst, toont de afmetingen van de James Webb Space Telescope. Het model van deze telescoop komt overeen met de originele grootte. © Örs Hunor Detre / MPIA

De missie van de James Webb Space Telescope verloopt tot nu toe succesvol. Na de lancering in december 2021, de reis naar de waarnemingslocatie in het zogenaamde Lagrangepunt L2 en een meerdere maanden durende kalibratie- en testfase, levert „James Webb“ nu de eerste beelden. Aan boord van de ruimte-telescoop bevinden zich componenten die ontwikkeld en gebouwd zijn aan het Max-Planck-Institut für Astronomie. Daaronder is een filterrad, dat de MIRI-camera van de Webb-telescoop pas tot een wetenschappelijk instrument maakt, en waarmee astronomen enkele van de meest dringende onderzoeksvragen willen beantwoorden. Deze bijdrage is een bouwsteen die ook in de toekomst de plek van het Heidelberger instituut aan de wereldtop van astronomisch onderzoek zal verzekeren.

Op 25 december 2021 is, na decennia van planning, ontwikkeling en bouw, en meerdere vertragingen, de James Webb-telescoop (JWST) met een Ariane 5-raket gelanceerd vanaf de Europese ruimtehaven Kourou in Frans-Guyana. Voor twee van de aan boord aanwezige meetinstrumenten heeft het Max-Planck-Institut für Astronomie verschillende centrale technische componenten bijgedragen. Het Heidelberger instituut is een van de hoofdpartners in het Europese consortium voor MIRI (Mid-InfraRed Instrument). Ingenieurs van het instituut ontwikkelden met ondersteuning van het bedrijf Hensoldt in Oberkochen onder andere een filterrad voor de MIRI-camera en twee rasterwielen voor de MIRI-spectrograaf.

„Met eigen technische afdelingen zoals laboratoria, een constructiebureau en werkplaatsen voor elektronica en precisiemechanica heeft ons instituut al decennia ervaring met het bouwen van meetinstrumenten voor satellieten", zegt Oliver Krause, hoofd van de onderzoeksgroep voor infrarood-ruimtetelescopen aan het Heidelberger Max-Planck-Institut en hoofdverantwoordelijke voor de technische bijdragen. Deze expertise is nu ook cruciaal bij de ontwikkeling van deze veeleisende componenten voor het JWST.

Daarnaast is het team van Krause leidend betrokken bij de ontwikkeling van het elektrische systeem van het MIRI-instrument. MIRI zal werken in het infraroodlichtspectrum, dat golflengten omvat tussen vijf en 28 micrometer (miljoenste meter). Het instrument is zo gevoelig dat het een kaars zou kunnen detecteren op een van de ongeveer 700 miljoen kilometer verwijderde Jupitermaan.

Verder is het Max-Planck-Institut für Astronomie betrokken bij de ontwikkeling van een filter- en een rasterwiel voor het instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph). NIRSpec bestrijkt een spectrale bandbreedte tussen 0,6 en vijf micrometer.

Al deze zogenaamde cryomechanismen - bewegende onderdelen die onder extreme kou werken - moeten temperaturen tot wel minus 266 graden Celsius kunnen verdragen, die worden bereikt door extra koelapparatuur. Onder deze omstandigheden zouden gewone werk- en smeermiddelen niet functioneren. De mechanismen moeten nauwkeurig, duurzaam en vooral onderhoudsvrij werken. „Want reparatievluchten zoals bij de operatie van het ruimtetelescoop Hubble zijn bij het JWST niet mogelijk", zegt Thomas Henning, algemeen directeur van het Max-Planck-Institut für Astronomie. De James Webb-telescoop werkt niet in een baan om de aarde, maar staat op 1,5 miljoen kilometer afstand van onze planeet. Deze waarnemingspositie heeft de sterrenwacht eind januari 2022 bereikt.

De instrumentele hardware-bijdragen van het instituut en zijn industriële opdrachtnemers aan de twee genoemde JWST-instrumenten werden al in 2012/2013 succesvol aan NASA geleverd. Sindsdien moesten de instrumenten een reeks strenge testcampagnes ondergaan. Het Heidelberger JWST-team was hierbij belangrijk betrokken bij de voorbereiding, uitvoering en evaluatie van deze tests bij NASA in de VS. Daarnaast is het team intensief betrokken bij de ontwikkeling van de toekomstige data-verwerkingssoftware voor het MIRI-instrument.

Voor de technische bijdragen ontvangen de betrokken onderzoeksinstituten als tegenprestatie zogenaamde GT-programma's (Guaranteed Time = gegarandeerde waarnemingsduur). Ook hier is de groep van Oliver Krause, deels in leidende functie, intensief bij betrokken. Bovendien hebben astronomen van het Max-Planck-Institut een groot deel van de waarnemingsduur veiliggesteld, die openstaat voor alle onderzoekers. Alleen de beste programma's worden na beoordeling in een competitie om de schaarse tijdsbron doorgezet.

Als co-investeerder van het MIRI-instrument leidt Thomas Henning een van de grote wetenschappelijke projecten met dit instrument. „We willen achterhalen welk bouwmateriaal planeten vinden in hun geboorteplaatsen, de schijven van gas en stof rond jonge sterren. Daarbij zullen we met de MIRI-spectrograaf de chemische samenstelling van het gas en de stofdeeltjes ontrafelen", zegt de wetenschapper. Sommige onderzoekers zijn van de VS naar zijn instituut overgestapt om daar met het JWST wereldwijd toonaangevend onderzoek te doen. Laura Kreidberg, eveneens directeur aan het Max-Planck-Institut für Astronomie, heeft meteen twee waarnemingsaanvragen succesvol ingediend. Het gaat om de bestudering van de atmosferen van exoplaneten.

Het ruimtetelescoop James Webb is onder leiding van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA sinds 1996 ontwikkeld. Het wordt gezien als de opvolger van het ruimtetelescoop Hubble, dat al meer dan 30 jaar indrukwekkende beelden en baanbrekende ontdekkingen levert. De verwachtingen voor het JWST zijn dan ook hoog.

Achtergrondinformatie

Het MIRI-consortium bestaat uit de ESA-lidstaten België, Denemarken, Duitsland, Frankrijk, Ierland, Nederland, Zweden, Zwitserland, Spanje en het Verenigd Koninkrijk. JWST is een gezamenlijk project van NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie CSA.

Het werk van het consortium wordt gefinancierd door de nationale wetenschappelijke organisaties, in Duitsland door de Max-Planck-Gesellschaft (MPG) en het Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). De betrokken Duitse instellingen zijn het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, de Universiteit van Keulen en het bedrijf Hensoldt AG in Oberkochen, voorheen Carl Zeiss Optronics.