Instrumento de infrarrojo medio

MIRI , o Instrumento de Infrarrojo Medio , es un instrumento del Telescopio Espacial James Webb . ^{[ 1 ]} MIRI es una cámara y un espectrógrafo que observa la radiación infrarroja media a larga, de 5 a 28 micras . ^{[ 1 ]} También cuenta con coronógrafos , especialmente para la observación de exoplanetas . ^{[ 2 ]} Mientras que la mayoría de los demás instrumentos del Webb pueden ver desde el inicio del infrarrojo cercano , o incluso tan corto como la luz visible naranja , MIRI puede ver luz de longitud de onda más larga. ^{[ 1 ]}

MIRI utiliza matrices de silicio dopadas con arsénico para realizar observaciones en estas longitudes de onda. ^{[ 1 ]} El generador de imágenes está diseñado para obtener vistas amplias, pero el espectrógrafo tiene un campo de visión más reducido. ^{[ 1 ]} Debido a que observa las longitudes de onda más largas, necesita estar más frío que los demás instrumentos (véase astronomía infrarroja ) y cuenta con un sistema de refrigeración adicional. ^{[ 1 ]} El sistema de refrigeración de MIRI incluye un preenfriador de tubo de pulso y un intercambiador de calor de bucle Joule-Thomson . ^{[ 1 ]} Esto permitió enfriar MIRI hasta una temperatura de 7 kelvin durante las operaciones en el espacio. ^{[ 1 ]}

MIRI fue construido por el Consorcio MIRI, un grupo que consta de científicos e ingenieros de 10 países europeos diferentes (Reino Unido, Francia, Bélgica, Países Bajos, Alemania, España, Suiza, Suecia, Dinamarca e Irlanda), con el Reino Unido a la cabeza del consorcio europeo, ^{[ 3 ]} así como un equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro en California y científicos de varias instituciones estadounidenses. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El espectrógrafo puede observar longitudes de onda entre 4,6 y 28,6 micras, y tiene cuatro canales separados, cada uno con sus propias rejillas y divisores de imagen. ^{[ 2 ]} El campo de visión del espectrógrafo es de 3,5 por 3,5 segundos de arco . ^{[ 2 ]}

El espectrógrafo es capaz de realizar espectroscopia de baja resolución (LRS) con o sin rendija, así como espectroscopia de resolución media (MRS) con una unidad de campo integral (IFU). Esto significa que la MRS con la IFU crea un cubo de imagen. Al igual que con otras IFU, esto se puede comparar con una imagen que tiene un espectro para cada píxel. ^{[ 6 ]}

El generador de imágenes tiene una escala de placa de 0,11 segundos de arco/píxel y un campo de visión de 74 por 113 segundos de arco. ^{[ 7 ]} Al principio del desarrollo, el campo de visión iba a ser de 79 por 102 segundos de arco (1,3 por 1,7 minutos de arco ). ^{[ 2 ]} El canal de imágenes tiene diez filtros disponibles y los detectores están hechos de silicio dopado con arsénico ( Si : As ). ^{[ 1 ]} Los detectores (uno para el generador de imágenes y dos para el espectrómetro) tienen cada uno una resolución de 1024x1024 píxeles y se denominan módulos de plano focal o FPM. ^{[ 8 ]}

Durante 2013 y hasta enero de 2014, MIRI se integró en el Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM). ^{[ 5 ]} MIRI superó con éxito las pruebas Cryo Vac 1 y Cryo Vac 2 como parte de ISIM en la década de 2010. ^{[ 5 ]}

MIRI está unido al ISIM mediante una estructura hexápoda de fibra de carbono y plástico, que lo une a la nave espacial y, además, ayuda a aislarlo térmicamente. ^{[ 1 ]} (véase también Plástico reforzado con fibra de carbono )

Resumen de piezas: ^{[ 9 ]}

• Óptica del espectrómetro
  • Óptica principal del espectrómetro (SMO) ^{[ 8 ]}
  • Preóptica del espectrómetro (SPO) ^{[ 8 ]}
• Arreglos de plano focal
• Módulo de calibración de óptica de entrada (IOC) ^{[ 8 ]}
  • Espejo de recogida ^{[ 8 ]}
  • Fuente de calibración para el generador de imágenes ^{[ 8 ]}
  • Cubierta de control de contaminación (CCC) ^{[ 8 ]}
• Hexápodo de CFRP
• generador de imágenes
• Cortadores de imágenes
• Cubierta

La mayor parte de MIRI se encuentra en la estructura principal de ISIM; sin embargo, el criorefrigerador está en la región 3 de ISIM, que se encuentra en el bus de la nave espacial . ^{[ 10 ]}

El módulo de imágenes de MIRI también incluye el espectrómetro de baja resolución que puede realizar espectroscopia de rendija larga y sin rendija en el rango de longitud de onda de luz de 5 a 12 μm. ^{[ 11 ]} El LRS utiliza prismas de Ge ( germanio ) y ZnS ( sulfuro de zinc ) para causar dispersión espectroscópica. ^{[ 11 ]}

La puesta en marcha se ha completado en las siguientes fechas:

• Imágenes, 17/06/2022
• Espectroscopia de baja resolución, 24/06/2022
• Espectroscopia de resolución media, 24/06/2022
• Imágenes coronográficas, 29/06/2022

Para permitir observaciones en el infrarrojo medio dentro del JWST, el instrumento MIRI cuenta con un sistema de refrigeración adicional. Su funcionamiento es similar al de la mayoría de los refrigeradores o aires acondicionados: un fluido se enfría en la sección caliente y se envía de vuelta a la sección fría, donde absorbe calor, para luego regresar al condensador. Una fuente de calor es el calor residual de la nave espacial, pero otra son sus propios componentes electrónicos, algunos de los cuales se encuentran cerca de los instrumentos que procesan los datos de las observaciones. La mayoría de los componentes electrónicos se ubican en la sección más caliente de la nave, pero algunos debían estar mucho más cerca, por lo que se tomaron grandes medidas para reducir el calor que generan. Al reducir la cantidad de calor que producen los componentes electrónicos en la sección fría, se reduce la cantidad de calor que se necesita disipar.

En este caso, el criorefrigerador del JWST reside en el bus de la nave espacial y tiene líneas de refrigerante que van al instrumento MIRI, enfriándolo. El criorefrigerador tiene un radiador de calor en el bus de la nave espacial para emitir el calor que recoge. ^{[ 12 ]} En este caso, el sistema de enfriamiento utiliza gas helio como refrigerante .

El criorefrigerador del Telescopio Espacial James Webb se basa originalmente en el criorefrigerador TRW ACTDP. ^{[ 12 ]} Sin embargo, el JWST ha tenido que desarrollar una versión para manejar cargas térmicas más altas. ^{[ 13 ]} Tiene un refrigerador de tubo de pulso multietapa que enfría un refrigerador aún más potente. ^{[ 12 ]} Este es un compresor de movimiento lineal estilo Oxford que alimenta un bucle JT. ^{[ 13 ]} Su objetivo es enfriar el instrumento MIRI hasta 6 kelvin (−448,87  °F, o −267,15  °C). ^{[ 12 ]} El ISIM está a unos 40 K (debido al parasol) y hay un escudo de radiación dedicado para MIRI más allá del cual la temperatura es de 20 K. ^{[ 12 ]} El bucle JT es un intercambiador de calor de bucle Joule-Thomson . ^{[ 1 ]}

El sistema de imágenes MIRI dispone de 10 filtros para las observaciones. ^{[ 14 ]}

• F560W - Imágenes de banda ancha
• F770W - PAH, imágenes de banda ancha
• F1000W - Silicato, imagen de banda ancha
• F1130W - PAH, imágenes de banda ancha
• F1280W - Imágenes de banda ancha
• F1500W - Imágenes de banda ancha
• F1800W - Silicato, imagen de banda ancha
• F2100W - Imagen de banda ancha
• F2550W - Imagen de banda ancha
• F2550WR - Filtro redundante, reducción de riesgos
• FND - Para la adquisición de objetivos brillantes
• Opaco - Oscuro

La imagen coronográfica MIRI tiene 4 filtros disponibles para las observaciones. ^{[ 14 ]}

• F1065C - útil para amoníaco y silicatos
• F1140C
• F1550C
• F2300C

El espectrómetro de baja resolución (LRS) utiliza un prisma doble de sulfuro de zinc/germanio (ZnS/Ge). La máscara de rendija tiene un filtro que bloquea la luz con una longitud de onda inferior a 4,5 μm. El LRS cubre el rango de 5 a 14 μm. ^{[ 14 ]}

El espectrómetro de resolución media (MRS) tiene 4 canales que se observan simultáneamente. Cada canal, a su vez, se divide en 3 configuraciones espectrales diferentes (denominadas corta, media y larga). En una sola observación, MIRI solo puede observar una de estas tres configuraciones. Una observación que pretenda abarcar todo el espectro requiere realizar 3 observaciones separadas de cada configuración. El MRS cubre el rango de 4,9 a 27,9 μm. ^{[ 14 ]}

• 
  Diagrama de MIRI y su sistema de refrigeración, que muestra las conexiones entre los diferentes sistemas en relación con su ubicación. La región 3 se encuentra dentro del bus de la nave espacial del JWST.
• 
  Diagrama codificado por colores y etiquetado del instrumento MIRI sin criorefrigerador.
• 
  Diagrama que resalta ISIM, el cual muestra la ubicación del criorefrigerador MIRI (código de color azul en la Región 3 de ISIM) en el bus de la nave espacial, al otro lado del escudo térmico del instrumento.

• Telescopio espacial Spitzer (telescopio espacial de infrarrojo medio de la NASA lanzado en 2003; no podía ver tan profundamente en el infrarrojo cuando se agotó su suministro de refrigerante en 2009).
• Explorador de sondeo infrarrojo de campo amplio (telescopio de sondeo infrarrojo)
• Lista de los telescopios infrarrojos más grandes (incluye ejemplos de observatorios espaciales diseñados para longitudes de onda similares).
• Mapeador auroral infrarrojo joviano (espectrómetro de imágenes infrarrojas a bordo del orbitador Juno de Júpiter)
• Cámara de infrarrojos (cámara Spitzer de infrarrojo cercano a medio)

• ESA - MIRI - el instrumento de infrarrojo medio del JWST
• Presentación sobre los coronógrafos de MIRI (.pdf)
• El instrumento de infrarrojo medio para el JWST, II: Diseño y construcción - Wright, et al (artículo extenso sobre Miri)
• Enciclopedia MIRI en la Universidad de Arizona
• NASA - Criorefrigerador del JWST