Im James-Webb-Teleskop steckt Technik aus Heidelberg

Widok artysty na Webb na rakiecie Ariane 5. (Copyright: ESA / D. Ducros)

Praca w czystym pomieszczeniu: MIRI jest zintegrowanym instrumentem kamery i spektrometru. Ważne elementy mechaniczne zostały opracowane i zbudowane w Max-Planck-Institut für Astronomie w Heidelbergu. © Stephen Kill / STFC

Przesuwne wysokotechnologiczne urządzenie: Koło filtrów czyni MIRI narzędziem naukowym. Z wyjątkiem elementów optycznych, Max-Planck-Institut für Astronomie zaprojektowało, skonstruowało, zbudowało i przetestowało to urządzenie. 18 elementów optycznych zawiera filtry do zawężania zakresu fal, koronografy do pokrycia jasnych obiektów oraz pryzmat. © MPIA / Koło filtrów czyni MIRI narzędziem naukowym. Z wyjątkiem elementów optycznych, MPIA zaprojektowało, skonstruowało, zbudowało i przetestowało to koło filtrów. 18 elementów optycznych obejmuje filtry do zawężania zakresu fal, koronografy do pokrycia jasnych obiektów oraz pryzmat. © MPIA

Zdjęcie grupowe pod teleskopem: To zdjęcie powstało z okazji spotkania konsorcjum James Webb i pokazuje rozmiary obserwatorium kosmicznego. Model tego teleskopu James Webb odpowiada rozmiarom oryginału. © Örs Hunor Detre / MPIA / To zdjęcie, wykonane z okazji spotkania konsorcjum James Webb, pokazuje rozmiary Teleskopu Kosmicznego James Webb. Model tego teleskopu odpowiada jego oryginalnym rozmiarom. © Örs Hunor Detre / MPIA

Misja Teleskopu Kosmicznego James Webb przebiega jak dotąd pomyślnie. Po starcie w grudniu 2021 roku, podróży do miejsca obserwacji w tak zwanym punkcie Lagrange'a L2 oraz kilku miesiącach fazy kalibracji i testów, „James Webb” obecnie dostarcza pierwsze obrazy. Na pokładzie teleskopu znajdują się komponenty, które zostały opracowane i zbudowane w Instytucie Maxa Plancka ds. Astronomii. Wśród nich jest filtrobieg, który czyni kamerę MIRI teleskopu Webb narzędziem naukowym, i za pomocą którego astronomowie chcą odpowiedzieć na niektóre z najbardziej palących pytań badawczych. Ten artykuł jest jednym z elementów, które pomogą w przyszłości utrzymać pozycję Heidelberskiego Instytutu na czele światowych badań astronomicznych.

25 grudnia 2021 roku, po dekadach planowania, rozwoju i budowy oraz kilku opóźnieniach, teleskop James Webb (JWST) wystartował rakietą Ariane 5 z europejskiego kosmodromu Kourou w Gujanie Francuskiej. Dla dwóch z instrumentów pomiarowych na pokładzie, Instytut Maxa Plancka ds. Astronomii wniósł kilka kluczowych komponentów technicznych. Heidelberski instytut jest jednym z głównych partnerów w europejskim konsorcjum dla MIRI (Instrument Środkowo-Infradźwiękowy). Inżynierowie i inżynierki z instytutu, wspierani przez firmę Hensoldt z Oberkochen, opracowali między innymi filtrobieg dla kamery MIRI oraz dwa kołowroty siatkowe dla spektrografu MIRI.

„Dzięki własnym działom technicznym, takim jak laboratoria, biuro konstrukcyjne oraz warsztaty do elektroniki i precyzyjnej mechaniki, nasz instytut od dziesięcioleci zdobywa doświadczenie w budowie urządzeń pomiarowych dla satelitów”, mówi Oliver Krause, kierownik grupy badawczej ds. astronomii w podczerwieni w Heidelberskim Instytucie Maxa Plancka i główny odpowiedzialny za techniczne wkłady. Ta wiedza jest teraz kluczowa również przy opracowywaniu tych wymagających komponentów dla JWST.

Ponadto zespół pod kierownictwem Krause odgrywa główną rolę w rozwoju systemu elektrycznego instrumentu MIRI. MIRI będzie pracować w zakresie widma promieniowania podczerwonego, obejmując długości fal od pięciu do 28 mikrometrów (milionowych metra). Instrument jest tak czuły, że mógłby wykryć świecącą świecę na jednym z księżyców Jowisza oddalonym o około 700 milionów kilometrów.

Instytut Maxa Plancka ds. Astronomii bierze również udział w opracowaniu filtra i kołowrotu siatkowego dla instrumentu NIRSpec (Spektrograf w Podczerwieni Bliskiego Zasięgu). NIRSpec obejmuje zakres spektralny od 0,6 do pięciu mikrometrów.

Wszystkie te tak zwane kryomechanizmy — czyli ruchome elementy pracujące w ekstremalnym chłodzie — muszą wytrzymać temperatury sięgające nawet minus 266 stopni Celsjusza, osiągane przez dodatkowe urządzenia chłodzące. W tych warunkach zwykłe środki smarne i materiały nie będą działać. Mechanizmy muszą działać precyzyjnie, trwałe i przede wszystkim bez konieczności konserwacji. „Ponieważ naprawy w stylu misji Hubble’a nie są możliwe w przypadku JWST”, mówi Thomas Henning, dyrektor zarządzający Instytutu Maxa Plancka ds. Astronomii. James Webb nie krąży wokół Ziemi, lecz znajduje się w odległości 1,5 miliona kilometrów od naszego planety. To miejsce obserwacyjne osiągnęło końcem stycznia 2022 roku.

Wkład sprzętowy instytutu i jego przemysłowych wykonawców do dwóch wymienionych instrumentów JWST został pomyślnie dostarczony NASA już w latach 2012/2013. Od tego czasu instrumenty musiały przejść szereg rygorystycznych testów. Zespół JWST z Heidelbergu odegrał kluczową rolę w przygotowaniach, przeprowadzeniu i analizie tych testów w NASA w USA. Ponadto zespół aktywnie uczestniczy w rozwoju przyszłego oprogramowania do przetwarzania danych dla instrumentu MIRI.

Za swoje wkłady techniczne instytuty badawcze otrzymują w zamian tzw. programy GT (Guaranteed Time — gwarantowany czas obserwacji). Również grupa Olivera Krause jest w to mocno zaangażowana, częściowo na stanowiskach kierowniczych. Ponadto astronomowie i astronomki z Maxa Plancka uzyskali dostęp do dużej części czasu obserwacyjnego, który jest dostępny dla wszystkich badaczy. Tylko najlepsze programy wygrywają w konkursie, rywalizując o ograniczone zasoby czasowe.

Jako współbadacz instrumentu MIRI, Thomas Henning kieruje jednym z dużych projektów naukowych z tym instrumentem. „Chcemy dowiedzieć się, z jakiego materiału budulcowego tworzone są planety w ich narodzinach, czyli w dyskach z gazem i pyłem wokół młodych gwiazd. W tym celu użyjemy spektrografu MIRI, aby poznać chemiczny skład gazu i pyłków”, mówi naukowiec. Niektórzy badacze z USA przenieśli się do jego instytutu, aby tam prowadzić światowe badania z JWST. Laura Kreidberg, również dyrektor w Max-Planck-Institut für Astronomie, z powodzeniem zrealizowała dwa wnioski obserwacyjne. Chodzi o badanie atmosfer egzoplanet.

Kosmiczne Teleskop James Webb był rozwijany pod kierownictwem amerykańskiej agencji kosmicznej NASA od 1996 roku. Uważa się go za następcę Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, który od ponad 30 lat dostarcza imponujących obrazów i przełomowych odkryć. W związku z tym oczekiwania wobec JWST są bardzo wysokie.

Informacje dodatkowe

Konsorcjum MIRI składa się z państw członkowskich ESA: Belgii, Danii, Niemiec, Francji, Irlandii, Holandii, Szwecji, Szwajcarii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. JWST jest wspólnym projektem NASA, ESA i kanadyjskiej agencji kosmicznej CSA.

Prace konsorcjum są finansowane przez krajowe organizacje naukowe, w Niemczech przez Max-Planck-Gesellschaft (MPG) i Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR). Zaangażowane niemieckie instytucje to Max-Planck-Institut für Astronomie w Heidelbergu, Uniwersytet w Kolonii oraz firma Hensoldt AG w Oberkochen, dawniej Carl Zeiss Optronics.