Ở bước sóng trung hồng ngoại, Vũ trụ là một nơi rất khác với vũ trụ mà chúng ta quen nhìn bằng mắt. Trải dài từ 3 đến 30 micromet, giữa tia hồng ngoại cho thấy các thiên thể có nhiệt độ từ 30 đến 700ºC. Trong chế độ này, các vật thể có vẻ tối trong hình ảnh ánh sáng nhìn thấy giờ đây tỏa sáng rực rỡ.
Ví dụ, các đám mây bụi mà các ngôi sao đang hình thành có xu hướng ở nhiệt độ này. Ngoài ra, các phân tử có xu hướng dễ nhìn thấy ở các bước sóng này. Gillian Wright, Điều tra viên chính của European Consortium đứng sau thiết bị MIRI cho biết: “Đó là một dải bước sóng thú vị về mặt hóa học mà bạn có thể làm và cách bạn có thể hiểu sự hình thành sao và những gì đang xảy ra trong hạt nhân của các thiên hà. .
MIRI đã nhìn vào trung tâm của M74, Phantom Galaxy để lộ ra những sợi khí và bụi mỏng manh trong các nhánh xoắn ốc của thiên hà.
Những cái nhìn thực tế đầu tiên của chúng tôi về vũ trụ trung hồng ngoại đến từ ISO, hoạt động từ tháng 11 năm 1995 đến tháng 10 năm 1998. Lên quỹ đạo vào năm 2003, Spitzer đã đạt được tiến bộ hơn nữa ở các bước sóng tương tự. Cả hai khám phá của ISO và Spitzer đều nhấn mạnh sự cần thiết của khả năng trung hồng ngoại với vùng thu lớn hơn để có độ nhạy và độ phân giải góc tốt hơn, nhằm đặt ra nhiều câu hỏi lớn trong thiên văn học.
Gillian và những người khác bắt đầu mơ về một công cụ có thể nhìn thấy vùng trung hồng ngoại một cách chi tiết sống động. Thật không may cho họ, ESA và NASA đã xem các bước sóng ngắn hơn của tia hồng ngoại gần là mục tiêu chính của Webb. ESA sẽ dẫn đầu về một máy quang phổ hồng ngoại gần, trở thành NIRSpec, và NASA đã đặt mục tiêu vào một máy ảnh trở thành NIRCam.
Không bị nản lòng, khi ESA đưa ra lời kêu gọi đề xuất nghiên cứu thiết bị quang phổ hồng ngoại gần của họ, Gillian và các đồng nghiệp của cô đã nhìn thấy một cơ hội.
“Tôi đã lãnh đạo một đội đưa ra một phản ứng khá táo tợn. Nó cho biết chúng tôi sẽ nghiên cứu quang phổ hồng ngoại gần nhưng chúng tôi cũng sẽ có một kênh bổ sung thực hiện tất cả khoa học hồng ngoại trung bình này. Và chúng tôi đã trình bày trường hợp khoa học về lý do tại sao thiên văn hồng ngoại tầm trung lại trở nên tuyệt vời trên Webb, ”cô nói.
Mặc dù nhóm của cô ấy không giành được hợp đồng cụ thể đó, nhưng động thái dũng cảm đã giúp nâng cao danh sách thiên văn học tầm trung hồng ngoại ở châu Âu và bản thân cô ấy đã được mời đại diện cho những mối quan tâm khoa học đó trong một nghiên cứu khác của ESA khảo sát khả năng chế tạo thiết bị đo hồng ngoại của ngành công nghiệp châu Âu. Được hỗ trợ bởi các tổ chức học thuật từ khắp châu Âu, một phần của nghiên cứu đó là xem xét thiết bị đo đạc giữa tia hồng ngoại.
Kết quả rất đáng khích lệ, cũng như các nghiên cứu song song do Hoa Kỳ thực hiện, đến nỗi sự thèm muốn đối với một công cụ như vậy thậm chí còn lớn hơn. Bằng cách tập hợp lại ở châu Âu, một sự hợp tác quốc tế của các nhà khoa học và kỹ sư sẵn sàng và có khả năng thiết kế và chế tạo thiết bị – và quan trọng là gây quỹ để làm điều đó – Gillian và các cộng tác viên của cô đã khuyến khích và dần dần thuyết phục ESA và NASA đưa nó vào Webb.
MIRI và NIRCam tiết lộ cảnh quan các ngôi sao hình thành núi và thung lũng trong Tinh vân Carina.
Các tập đoàn lớn không phải là một cách bất thường để chế tạo các thiết bị tàu vũ trụ ở châu Âu. ESA thường chế tạo tàu vũ trụ hoặc kính thiên văn và sau đó dựa vào sự liên kết của các tổ chức học thuật và công nghiệp để gây quỹ từ chính phủ quốc gia của họ để chế tạo các thiết bị này. Nhưng điều đó là không bình thường ở Mỹ, nơi NASA cũng thường tài trợ cho thiết bị đo đạc.
Việc mở rộng vai trò lãnh đạo của châu Âu trong phương pháp làm việc này sang lĩnh vực hợp tác quốc tế với Hoa Kỳ, trong một sứ mệnh hàng đầu của NASA, nơi văn hóa chế tạo thiết bị rất khác biệt, không phải là công thức đảm bảo cho sự thành công.
Jose Lorenzo Alvarez, Giám đốc MIRI Instrument của ESA cho biết: “Nỗi sợ hãi lớn nhất là sự phức tạp này sẽ là mối đe dọa lớn nhất đối với thiết bị này.
Nhưng canh bạc đã được đền đáp khi Jose giải thích, “Thật ngạc nhiên khi thấy sự thay đổi trong thái độ giữa những người có nền văn hóa làm việc hoàn toàn khác nhau. Trong những năm đầu tiên, chúng tôi đang trên đà học tập. Cuối cùng, MIRI, vốn phức tạp hơn về mặt tổ chức, là công cụ đầu tiên được chuyển giao. “
Ngoài việc huy động tiền của riêng họ, tập đoàn đã được đưa ra một cảnh báo khác: thiết bị không thể ảnh hưởng đến nhiệt độ hoạt động và quang học của Webb. Nói cách khác, kính thiên văn sẽ vẫn được tối ưu hóa cho các thiết bị cận hồng ngoại và MIRI sẽ chấp nhận bất cứ điều gì nó có thể nhận được. Điều này sẽ giới hạn hiệu suất của nhạc cụ vượt quá mười micromet nhưng đó là một cái giá nhỏ để trả cho Gillian. “Tôi chưa bao giờ coi đó là một sự thỏa hiệp vì nó vẫn sẽ tốt hơn bất cứ thứ gì chúng tôi từng thấy trước đây,” cô nói.
MIRI và NIRSpec đã quan sát năm thiên hà trong Bộ tứ của Stephan để tiết lộ lực hấp dẫn lớn hoạt động giữa các thiên hà đang tương tác, và sự hình thành ngôi sao này phát ra bên trong chúng.
Một trong những trở ngại công nghệ lớn nhất cần vượt qua là MIRI cần hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các thiết bị cận hồng ngoại. Điều này đạt được nhờ cơ chế làm lạnh lạnh do Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA cung cấp. Để nhạy cảm với các bước sóng hồng ngoại trung bình, MIRI hoạt động ở khoảng 6 Kelvin (–267 ° C). Đây là nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bề mặt trung bình của Sao Diêm Vương, vào khoảng 40 Kelvin (–233 ° C). Thật trùng hợp, nhiệt độ này là nơi các dụng cụ khác và kính thiên văn hoạt động. Cả hai đều có nhiệt độ cực kỳ lạnh nhưng do sự khác biệt đó, nhiệt từ kính thiên văn vẫn sẽ rò rỉ vào MIRI một khi nó được khai thác vào kính thiên văn, trừ khi cả hai được cách ly nhiệt với nhau.
Brian O’Sullivan, Kỹ sư hệ thống MIRI của ESA cho biết: “Để giảm thiểu rò rỉ nhiệt, chúng tôi đã phải chọn một số vật liệu dây nịt khá lạ và khá kỳ lạ để giảm thiểu sự dẫn nhiệt từ mặt này sang mặt kia.
Một thách thức khác là không gian hạn chế cho thiết bị trên kính thiên văn. Điều này càng trở nên khó khăn hơn vì MIRI có hiệu quả là hai công cụ trong một, một máy ảnh và một máy quang phổ kế. Nó kêu gọi một số công việc thiết kế thông minh.
“Chúng tôi có một cơ chế, và chúng tôi không chỉ sử dụng ánh sáng chiếu từ một phía, mà còn sử dụng cả phía bên kia của nó, chỉ để giảm thiểu số lượng cơ chế chúng tôi sử dụng và không gian chúng tôi chiếm dụng. Đó là một thiết kế quang học rất thú vị và rất nhỏ gọn, ”Brian nói.
Dụng cụ này sử dụng một đường ánh sáng cho hình ảnh của nó và một đường khác cho quang phổ kế của nó.
Ngay cả sau khi thiết bị được hoàn thành và giao cho NASA để tích hợp với phần còn lại của kính thiên văn, nhóm nghiên cứu phải đối mặt với nhiều thách thức hơn.
Chiếc kính thiên văn phức tạp khốc liệt này mất nhiều thời gian để hoàn thành hơn bất kỳ ai tưởng tượng và điều đó có nghĩa là MIRI và các thiết bị khác sẽ phải tồn tại trên mặt đất lâu hơn nhiều so với kế hoạch ban đầu. Được thiết kế để ở lại Trái đất trong khoảng ba năm trước khi phóng, phải mất gần một thập kỷ nữa tàu vũ trụ mới đạt quỹ đạo. Để đảm bảo sức khỏe của thiết bị, MIRI đã được bảo quản trong điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt và được kiểm tra định kỳ.
Sau đó, vào Ngày Giáng sinh năm 2021, một tên lửa ESA Ariane 5 đã đưa tàu vũ trụ vào quỹ đạo trong một vụ phóng hoàn hảo như hình ảnh. Trong những tuần và tháng sau đó, các đội mặt đất đã chuẩn bị sẵn sàng kính thiên văn và các thiết bị của nó và bàn giao cho các nhà khoa học.
Khung cảnh ma quái của MIRI về Trụ cột Sáng tạo trong Tinh vân Đại bàng mang những cột trụ bụi bặm trở nên sống động nếu kỳ lạ. Trong mỗi ‘ngón tay’ nhỏ bé nhô ra từ những cột trụ vĩ đại này, cả một hệ mặt trời đang hình thành.
Cùng với các công cụ khác, MIRI hiện đang gửi lại loại dữ liệu mà các nhà khoa học đã mơ ước.
Sarah Kendrew, Nhà khoa học về Dụng cụ và Hiệu chuẩn MIRI, ESA, nói: “Vâng, đặc biệt là những tháng đầu tiên đó khá kỳ quái. “Chúng tôi đã làm rất nhiều công việc chuẩn bị với dữ liệu mô phỏng, vì vậy theo một nghĩa nào đó, chúng tôi biết dữ liệu sẽ trông như thế nào. Vì vậy, bạn có thể nhìn vào nó và nghĩ rằng nó trông rất quen thuộc, nhưng đồng thời, nó giống như, nhưng nó đến từ không gian! ”
Dữ liệu của MIRI thể hiện rất nhiều trong những hình ảnh đầu tiên được công bố từ Webb, bao gồm ‘núi’ và ‘thung lũng’ của tinh vân Carina, nhóm thiên hà tương tác Stephan Quintet và Tinh vân Vòng Nam. Những hình ảnh sau đó tiếp tục được nâng tầm cả về độ đẹp và tính khoa học.
Tuy nhiên, bởi vì MIRI là một bước tiến lớn so với bất kỳ thiết bị hồng ngoại tầm trung nào trước đây, thanh này cũng được nâng lên về khả năng diễn giải hình ảnh. Sarah nói: “MIRI đang mang đến cho chúng ta rất nhiều điều mới mẻ mà khó giải thích hơn, chỉ vì MIRI là một sự khác biệt lớn so với những gì đã có trước đây.
Nhưng đây là bản chất của khoa học tiên tiến và các nhà thiên văn học đang chạy đua để phát triển các mô hình máy tính chi tiết hơn có thể cho họ biết nhiều hơn về các quá trình vật lý khác nhau làm tăng các số đọc trung hồng ngoại.
“Có một tiềm năng to lớn cho những hiểu biết mới về MIRI, đặc biệt là về sự hình thành sao và các đặc tính của bụi và thiên hà. Có thể mất nhiều thời gian hơn để giải thích nhưng tôi nghĩ khoa học mới sẽ ra đời từ MIRI sẽ thực sự rất, thực sự quan trọng, ”Sarah nói.
MIRI, cùng với các công cụ khác trên Webb, có tiềm năng phát triển mọi ngành thiên văn học. Đây là loại khoa học biến đổi chỉ xuất hiện thông qua một bước tiến lớn về năng lực. Và đó là một minh chứng đáng chú ý cho sự hợp tác quốc tế và làm việc theo nhóm đã đi vào kính thiên văn nói chung, và MIRI nói riêng.
“Điều khiến MIRI xảy ra là tinh thần đồng đội. Tất cả chúng ta đều muốn cùng một thứ, đó là khoa học. Sự sẵn sàng của mọi người để làm việc cùng nhau và giải quyết vấn đề cùng nhau thực sự là điều đã khiến MIRI xảy ra, ”Gillian nói.
Và bây giờ cả thế giới đang được hưởng lợi.
Công cụ của Webb: gặp MIRI
Thêm thông tin
Webb là kính thiên văn lớn nhất, mạnh nhất từng được phóng vào không gian. Theo thỏa thuận hợp tác quốc tế, ESA cung cấp dịch vụ phóng kính thiên văn, sử dụng phương tiện phóng Ariane 5. Làm việc với các đối tác, ESA chịu trách nhiệm phát triển và nâng cao trình độ của các bản chuyển thể Ariane 5 cho sứ mệnh Webb và mua sắm dịch vụ phóng của Arianespace. ESA cũng cung cấp máy quang phổ ngựa lao NIRSpec và 50% thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI, được thiết kế và chế tạo bởi một tập đoàn các Viện châu Âu do quốc gia tài trợ (The MIRI European Consortium) hợp tác với JPL và Đại học Arizona. Webb là quan hệ đối tác quốc tế giữa NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA).
Tổ hợp MIRI bao gồm các tổ chức và ngành công nghiệp từ mười quốc gia châu Âu, ESA và NASA. Các đối tác liên danh hàng đầu là: Trung tâm Công nghệ Thiên văn Vương quốc Anh, Airbus Vương quốc Anh, Đại học Leicester, phòng thí nghiệm Rutherford Appleton, Đại học Cardiff, Vương quốc Anh; DIAS, Eire; CSL, Đại học Leuven, Bỉ; CEA, LESIA / LAM, Pháp; INTA, Tây Ban Nha; Đại học Stockholm, Thụy Điển; DTUSpace, Đan Mạch; NOVA IR Group, Đại học Leiden, Hà Lan; MPIA Heidelberg, Đại học Köln, Đức; ETH, Cover, Thụy Sĩ.