Il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA è spesso indicato come il successore del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA. In realtà, è il successore di molto di più. Con l'inclusione del Mid-Infrared Instrument (MIRI), Webb è riuscito anche a telescopi spaziali a infrarossi come lo Space Infrared Observatory (ISO) dell'ESA e il telescopio spaziale Spitzer della NASA.
Nella gamma del medio infrarosso, l'universo è molto diverso da quello che siamo abituati a vedere con i nostri occhi. Estendendosi da 3 a 30 micrometri, il medio infrarosso rileva oggetti celesti con temperature comprese tra 30 e 700º C. In questa modalità, gli oggetti che appaiono scuri nelle immagini a luce visibile ora risplendono intensamente.
"Si tratta di un intervallo di lunghezze d'onda molto interessante in termini di chimica che si può ottenere e di come si può comprendere il processo di formazione stellare e cosa accade nei nuclei delle galassie", afferma Gillian Wright, ricercatrice principale del consorzio europeo che ha sviluppato il Strumento MIRI. - I nostri primi veri scorci di spazio nel medio infrarosso sono stati ottenuti con ISO, che ha operato dal novembre 1995 all'ottobre 1998. Arrivato in orbita nel 2003, Spitzer ha fatto ulteriori progressi a lunghezze d'onda simili. Entrambe le scoperte ISO e Spitzer hanno evidenziato la necessità di capacità nel medio infrarosso con aree di raccolta più ampie per una migliore sensibilità e risoluzione angolare per affrontare molte questioni importanti in astronomia".
Jillian e altri iniziarono a sognare uno strumento in grado di vedere il medio infrarosso con vividi dettagli. Sfortunatamente per loro, l'ESA e la NASA hanno visto le lunghezze d'onda più corte del vicino infrarosso come l'obiettivo principale di Webb. L'ESA ha guidato lo sviluppo di uno spettrometro nel vicino infrarosso chiamato NIRSpec, mentre la NASA puntava a una termocamera chiamata NIRCam.
Imperterriti, quando l'ESA ha annunciato un invito a presentare candidature per studiare il suo spettrometro nel vicino infrarosso, Jillian ei suoi colleghi hanno intravisto un'opportunità. "Ho guidato una squadra che ha inviato una risposta piuttosto audace. Diceva che avremmo studiato lo spettrografo nel vicino infrarosso, ma avremmo avuto anche un canale aggiuntivo che si sarebbe occupato di tutti questi studi scientifici nel medio infrarosso. E abbiamo presentato un caso scientifico sul perché l'astronomia nel medio infrarosso sarebbe fantastica su Webb", dice.
Sebbene il suo team non abbia vinto quel particolare contratto, l'audace mossa ha contribuito a elevare il profilo dell'astronomia nel medio infrarosso in Europa, e lei stessa è stata invitata a rappresentare quegli interessi scientifici in un altro studio dell'ESA che esamina la capacità dell'industria europea di costruire strumenti a infrarossi . Con il supporto di istituzioni accademiche di tutta Europa, parte di questa ricerca è stata dedicata agli strumenti nel medio infrarosso.
I risultati sono stati così incoraggianti, così come i risultati di studi paralleli condotti dagli Stati Uniti, che l'interesse per un tale dispositivo è diventato ancora maggiore. Avendo riunito in Europa un gruppo internazionale di scienziati e ingegneri desiderosi e in grado di progettare e costruire lo strumento – e, soprattutto, aver raccolto i fondi per farlo – Jillian e i suoi colleghi hanno incoraggiato e gradualmente convinto ESA e NASA a includerlo nella programma webb.
Estendere la leadership europea in questo modo di lavorare al campo della cooperazione internazionale con gli Stati Uniti, alla missione di punta della NASA, dove la cultura della costruzione di strumenti è così diversa, non era una ricetta sicura per il successo. "La più grande paura era che questa complessità sarebbe stata la più grande minaccia per lo strumento", afferma José Lorenzo Alvarez, direttore dello strumento MIRI presso l'ESA. Ma il rischio è stato ripagato.
Oltre ad attrarre i propri fondi, il consorzio ha ricevuto un ulteriore avvertimento: lo strumento non dovrebbe influire sulle temperature operative e sull'ottica di Webb. In altre parole, il telescopio rimarrà ottimizzato per gli strumenti nel vicino infrarosso e MIRI prenderà tutto ciò che può ottenere. Ciò limiterebbe le prestazioni dello strumento oltre i dieci micrometri, ma per Jillian era un piccolo prezzo da pagare.
Uno dei maggiori ostacoli tecnologici era che MIRI doveva operare a una temperatura inferiore rispetto agli strumenti nel vicino infrarosso. Ciò è stato ottenuto utilizzando un meccanismo di criorefrigerazione fornito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA. Per essere sensibile alle onde del medio infrarosso, MIRI opera a una temperatura di circa -267°C.
Questo è inferiore alla temperatura superficiale media di Plutone di circa 40 Kelvin (-233°C). Per coincidenza, questa è la temperatura alla quale lavorano gli altri strumenti e il telescopio. Entrambe le temperature sono estremamente basse, ma a causa di questa differenza, il calore del telescopio penetrerebbe comunque nel MIRI una volta collegato al telescopio se non fossero isolati termicamente l'uno dall'altro.
Un'altra sfida era lo spazio limitato disponibile per lo strumento sul telescopio. Ciò è stato ancora più difficile perché MIRI doveva essere effettivamente due strumenti in uno: un riproduttore d'immagini e uno spettrometro. Ciò ha richiesto un lavoro di progettazione intelligente.
Anche dopo che lo strumento è stato completato e consegnato alla NASA per l'integrazione con il resto del telescopio, il team ha affrontato ancora più sfide.
La costruzione del telescopio estremamente complesso ha richiesto più tempo di quanto chiunque avrebbe potuto immaginare, il che significa che MIRI e altri strumenti dovranno rimanere sulla Terra molto più a lungo di quanto inizialmente previsto.
Quindi, il giorno di Natale del 2021, il veicolo di lancio Ariane 5 dell'ESA ha portato il veicolo spaziale in orbita con un lancio perfetto. Nelle settimane e nei mesi successivi, le squadre di terra hanno preparato il telescopio e i suoi strumenti e li hanno consegnati agli scienziati. Insieme ad altri strumenti, MIRI sta ora inviando dati che gli scienziati hanno solo sognato.
I dati MIRI erano ampiamente presenti nelle prime immagini Webb, comprese le "montagne" e le "valli" della Nebulosa Carena, il gruppo di galassie interagenti Stefan Quintet e la Nebulosa Anello Meridionale. Le immagini successive hanno continuato ad alzare l'asticella sia in termini di bellezza che di scienza. Tuttavia, poiché MIRI è un grande passo avanti rispetto a qualsiasi precedente strumento nel medio infrarosso, l'asticella si sta alzando anche in termini di capacità di interpretazione delle immagini.
Ma questa è l'essenza della scienza avanzata e gli astronomi si stanno già affrettando a sviluppare modelli computerizzati più dettagliati che possano dire loro di più sui vari processi fisici che fanno apparire i dati nella gamma del medio infrarosso.
MIRI, insieme ad altri strumenti sul Web, ha il potenziale per far progredire ogni campo dell'astronomia. Questo è il tipo di scienza trasformativa che diventa possibile solo attraverso una significativa espansione delle possibilità. Ed è una grande testimonianza del lavoro di squadra e della collaborazione internazionale che hanno contribuito alla costruzione del telescopio in generale e del MIRI in particolare.
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