James Webbs mid-infraroodinstrument

Inleiding

'Het grootste ruimteobservatorium in de geschiedenis zal een ultra-coole camera aan boord hebben: het MIRI-instrument'. Dat schreef NASA onlangs op het Twitter-account van zijn eigen Jet Propulsion Laboratory. Laat het maar aan de Amerikanen over om aandacht te vragen voor hun wetenschappelijke projecten en een breder publiek er op een aansprekende manier over te informeren. Het had echter niet veel gescheeld of het Mid-Infrared Instrument met die extreem gekoelde camera was er niet gekomen.

James Webb is namelijk een enorm duur project geworden. Het was ooit begroot op een budget van 1 miljard dollar, maar kost uiteindelijk het tienvoudige. Logischerwijs worden er vragen gesteld over de kosten: moet het allemaal wel zo duur en complex zijn? Heeft James Webb wel die vier wetenschappelijke instrumenten nodig, te weten de Near-Infrared Camera, de Near-Infrared Spectrograph, het Mid-Infrared Instrument en de Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph? Vanuit de VS werden jaren geleden de pijlen vooral op MIRI gericht. Een prachtig instrument, maar is het wel echt meer dan 'nice to have'? Uiteindelijk is ook het MIRI-instrument gewoon onderdeel geworden van de James Webb-telescoop.

MIRI test — MIRI tijdens een *ambient temperature alignment*-test in november 2010 in het Britse Science and Technology Facilities Council's Rutherford Appleton Laboratory

Het instrument bestaat grofweg uit een camera en een spectrograaf die signalen opvangen in het mid-infrarode deel van het spectrum, om precies te zijn van 4,9 tot 28,8μm. Daarmee vormt het instrument een mooie aanvulling op NIRCam en NIRSpec; die instrumenten zich richten op het gebied van 0,6 tot 5μm, het nabij-infrarode deel van het spectrum. Ze kunnen vrij goed door stofwolken heen kijken, maar MIRI kan door dikkere exemplaren turen. MIRI kan daarmee de geboorteplaatsen van sterren onthullen en bijvoorbeeld aardse verbindingen zoals koolstofdioxide, water en methaan detecteren in koelere omgevingen rondom sterren, waar planeten zich kunnen vormen. NIRCam en NIRSpec zijn er juist beter in om deze moleculen te vinden als gassen in veel hetere omgevingen.

MIRI heeft verder de capaciteit om te bevestigen of extreem verre, zwakke lichtbronnen daadwerkelijk eerstegeneratie-sterren zijn, en niet latere sterren die pas werden gevormd nadat een sterrenstelsel zich heeft ontwikkeld. MIRI zal ons ook meer kunnen vertellen over hoe sterren en planetaire systemen worden gevormd en evolueren. Het instrument kan bijvoorbeeld zien hoe koude interstellaire wolken kunnen leiden tot stervorming. Dat proces was tot nu toe lastig gade te slaan, omdat zo ongeveer al het zichtbare en een deel van het nabij-infrarode licht ervan wordt geblokkeerd.

Het is zonder meer een interessant instrument om nader op in te zoomen, al was het maar vanwege het Nederlandse optische ontwerp met de vele spiegels, filters en gratings. Ook de noodzaak van een speciale cryocooler maakt dit tot een bijzonder onderdeel van de James Webb. Hij maakt MIRI nog kouder dan de rest van de telescoop.

Dit zijn enkele onderwerpen waar we in dit artikel nader op ingaan, mede aan de hand van de kennis en ervaringen van een direct betrokkene, Ramon Navarro. Hij studeerde technische natuurkunde aan de TU Eindhoven, werkte bij Philips NatLab aan de ontwikkeling van telecommunicatielasers en ontwikkelde voor ASML optische meetsystemen met nanometerprecisie. Sinds 2005 is hij als divisiehoofd bij Nova (het samenwerkingsverband van alle sterrenkunde-instituten aan de Nederlandse universiteiten) en Astron verantwoordelijk voor de ontwikkeling van optische instrumenten en infraroodapparatuur voor Nederlandse astronomen. Onder zijn verantwoordelijkheid is MIRI ontworpen, gebouwd en getest in Dwingeloo.

Ramon en James Webb — Ramon Navarro voor een schaalmodel van James Webb voor de Universiteit Leiden. Afbeelding: Ramon Navarro.

Actieve koeling

Voordat we nader inzoomen op het ontwerp van MIRI, komt eerst aan bod waarom juist dit instrument zo ontzettend koud moet worden. De andere instrumenten opereren bij een temperatuur van -233 graden Celsius, maar de temperatuur van MIRI moet nog lager zijn. Dat heeft te maken met het feit dat het instrument specifiek is ontworpen om mid-infrarode signalen te detecteren. Infraroodstraling is warmtestraling en MIRI is daar nog gevoeliger voor. Nog meer dan bij nabij-infrarode signalen is het van groot belang om ander infraroodbronnen in de vorm van achtergrondruis te minimaliseren en dat kan alleen in extreme kou. Anders komen de verre, zwakke signalen er niet bovenuit.

De Integrated Science Instrument Module

De schaduw van het zonneschild zorgt al voor een indrukwekkende passieve koeling, zodat de telescoop bij -225 graden Celsius (48 Kelvin) kan opereren. MIRI moet het koudste onderdeel worden van de hele telescoop en bij -266 graden Celsius - of 7 Kelvin - zijn werk doen. Dat geldt ook voor de drie specifieke detectors van MIRI. Dit zijn arsenic-doped silicon detector arrays en die moeten een temperatuur hebben van minder dan 7 Kelvin, anders functioneren ze niet goed. De nominale temperatuur is 6,8 Kelvin, maar pas straks, in de ruimte, zal blijken of dit echt gehaald wordt.

De algemene werking van de infrarooddetectors in de verschillende instrumenten van James Webb. Rechts is een module zichtbaar met in het groen een MIRI-detector met een 1024x1024-pixelstructuur.

In de Integrated Science Instrument Module, aan de achterkant van de grote spiegel, zit MIRI bewust helemaal aan de zijkant. Deze geïsoleerde plek helpt bij het verlagen van de temperatuur, maar ook dat is onvoldoende om passief de -266 graden Celsius te halen. Daar is door NASA een aparte cryocooler voor ontwikkeld en gebouwd, die met heliumgas werkt. Dat is een nogal vluchtig gas met kleine atomen. Hierdoor kan het nogal snel ontsnappen als niet alles heel goed is dichtgemaakt.

NASA omschrijft de cryocooler als een geavanceerde koelkast waarvan de onderdelen feitelijk op verschillende plekken door het observatorium heen zijn ingebouwd. Ramon Navarro maakt ook de vergelijking met een koelkast en zegt dat het een soortgelijk systeem is, met meerdere trappen om extreem lage temperaturen te bereiken. Een belangrijk verschil is dat er op aarde zwaartekracht is, waardoor de vloeistof naar beneden kan stromen om door de compressor te gaan en vervolgens weer te worden rondgepompt. In de ruimte is geen zwaartekracht, dus daar zou een regulier ontwerp een probleem vormen.

De cryocooler is hier zichtbaar na het voltooien van een testfase. Rechts is de Cryocooler Compressor Assembly, het primaire onderdeel van de cryocooler dat het heliumgas samenperst en voorkoelt, waarna het wordt rondgepompt.

Navarro zegt blij te zijn met de gekozen cryocooleroplossing. Daarbij wijst hij op de nadelen van een andere koeloplossing met helium die eerder is toegepast bij een andere ruimtetelescoop, genaamd Herschel. "Herschel had een instrument dat nog verder in het infarood waarnam", zegt Navarro. "Dat heette HIFI, ofwel Heterodyne Instrument for the Far Infrared. Dat instrument is in Nederland gemaakt en had een operationele temperatuur van 1,8 Kelvin. Daarvoor hebben ze letterlijk een heel groot vat met 3500 kilo supergekoeld helium de lucht in gestuurd. Dat verdampte in de ruimte en daarmee zorgde het voor koeling, maar daarbij dampte het helium ook weg. Toen die 3500 kilo op was, was het gedaan. Dat heeft bijna vier jaar geduurd, dus was de telescoop maar vier jaar operationeel. Daarna werd hij warm, zodat hij alleen nog naar zijn eigen straling kon kijken in plaats van naar de straling uit de ruimte." Navarro stipt aan dit scenario van Herschel niet aan de orde zal zijn bij James Webb. Het meenemen van 3500kg helium zou ook hebben betekend dat er veel minder gewicht aan telescoop de ruimte in had gekund.

Beeldveld en verschillende onderdelen

MIRI bestaat zoals wel meer wetenschappelijke instrumenten van James Webb in feite uit een verzameling van meerdere geïntegreerde apparaten. Welke verschillende apparaten dat zijn, komt hier aan bod, aan de hand van het beeldveld van MIRI. In onderstaande afbeelding is het beeldveld van MIRI te zien. De telescoop heeft een bepaald beeldveld en daar haalt MIRI een specifiek stukje uit.

Het grootste deel is de rechthoek van de Imager. MIRI bestaat uit twee hoofdmodules: een camera (imager) en een spectrometer. De imager is nodig om eerst te kunnen selecteren wat überhaupt interessant is om naar de spectrometer te sturen. Eerst wordt dus een foto van een sterrenstelsel gemaakt, om vervolgens te selecteren wat er interessant aan is, waarna dat onderdeel verder kan worden onderzocht. Volgens Navarro is zo'n afbeelding relatief snel te maken. Wil je er vervolgens via de spectrometer een spectrum van maken, dus het licht opsplitsen in de verschillende golflengten, dan moet je het apparaat een aantal uur stilzetten en heel stabiel houden.

MIRI blikveld — De optische configuratie van MIRI, uitgebeeld op het focusvlak van de telescoop

Verder zien we een four-quadrant phase mask, of 4QPM. Dit is een coronagraaf, een apparaat dat wordt gebruikt om direct licht van een ster te blokkeren zodat nabije objecten vindbaar worden en niet worden overstraald. Dit onderdeel is geoptimaliseerd voor verschillende golflengten. Als je een ster precies in het midden zet, dooft het sterlicht op de betreffende golflengte uit en kun je daar vlak omheen naar planeten zoeken.

Ook is een Lyot-coronagraaf zichtbaar. Die naam komt van de Franse astronoom Bernard Lyot, die in 1931 zo'n coronagraaf ontwikkelde. Deze zit wat eenvoudiger in elkaar dan de hierboven genoemde coronagraaf. Deze Lyot-coronagraaf zet het sterlicht achter een niet-doorlatend plaatje. Dat plaatje wordt vastgehouden door twee stangetjes en als er een planeet rondom zit - maar net niet achter de stangetjes - dan is hij zichtbaar. Dit is net als bij de 4QPM een manier om een hoog contrast te krijgen en naast exoplaneten ook ringen om planeten en andere objecten, zoals stofwolken, zichtbaar te maken.

Op de afbeelding is ook een heel klein horizontaal streepje te zien, de Low Resolution Spectrometer Slit. Op dat streepje valt het licht van een klein stukje van de hemel en daar wordt vervolgens een spectrum van gecreëerd. Uit de verschillende kleuren van het opgesplitste licht kun je allerlei zaken afleiden, zoals snelheden en de chemische samenstelling. Deze spectrograaf heeft, zoals de naam al suggereert, een lage resolutie. Dat betekent dat hij licht opsplitst in een beperkt aantal kleuren, in totaal een paar honderd. De Low Resolution Spectrometer is ontworpen om enkele compacte objecten, zoals ver weggelegen sterrenstelsels of sterren, te observeren.

Verder is linksonder nog een apart vierkantje te zien, waar de Medium Resolution Spectrometer zich op richt. Deze spectrometer kijkt in vier verschillende banden naar een object zoals een sterrenstelsel. Dat object wordt geanalyseerd aan de hand van de kleuren die erin zitten. Bij deze spectrograaf gaat het daarbij om een uiteenrafeling in duizenden kleuren. Deze spectrometer is mede door zijn gezichtsveld vooral geschikt voor observaties van complexe en uitgerekte objecten zoals sterrenstelsels, drukke velden met sterren en stelsels, of nevels en gaswolken.

MIRI beeldveld — De vier wetenschappelijke instrumenten van James Webb, met hun gezichtsvelden. Het blikveld van MIRI is linksboven gemarkeerd.

Het optisch ontwerp

Het optisch ontwerp van MIRI is in Nederland ontwikkeld, gebouwd en getest. Het is een nogal complex samenspel van spiegels, gratings en filters, waarbij het licht een gecompliceerd pad aflegt voordat het uiteindelijke in de juiste, gewenste golflengteband op de verschillende detectors valt. Optisch gezien is het instrument opgedeeld in twee kanalen: een imager-kanaal met zijn eigen detector en een spectrometerkanaal met twee detectors voor kortere en langere golflengten.

Het licht komt vanaf de twee spiegels van de telescoop uiteindelijk aan bij MIRI. Voor de imager speelt het filterwiel een belangrijke rol. Aan de hand van de achttien verschillende filters kan worden geselecteerd welke kleur licht op de detector van de imager moet vallen. Door van filter te wisselen, kan steeds net een ander stukje van de golflengteband worden gekozen. Dit filterwiel bevat alle benodigde elementen voor de imager, de coronagraaf en de Low Resolution Spectrometer.

MIRI filterwiel — Het filterwiel van MIRI, met achttien verschillende filters

Het licht van de telescoop wordt in de spectrometer van MIRI uiteengerafeld in bepaalde kleurbanden. Dat wordt gedaan door dichroics. Dit zijn spiegels die het blauwe licht reflecteren en het rode licht doorlaten. Er zijn drie van deze spiegels en ze splitsen het licht in vier verschillende banden. De dichroics zitten op een systeem dat kan ronddraaien, dichrioc wheels geheten.

In de Medium-Resolution Integral Field Spectrometer, of MRS, worden observaties uitgevoerd in die vier banden tegelijk. Voor elk van de vier banden is er een Integral Field Unit en elke IFU dekt een ander deel van het totale golflengtebereik van MIRI. Een IFU is te beschouwen als een spiegel met strookjes die allemaal net anders zijn georiënteerd. Daarmee wordt een beeld van een sterrenstelsel in feite in plakjes gesneden. Al die plakjes worden achter elkaar gezet en van elk plakje wordt een spectrum gemaakt. Daarmee geeft elk deel van het plaatje informatie over bijvoorbeeld de hoeveelheid licht, de hoeveelheid zuurstof, stikstof en helium - en waar dat zit - en hoeveel andere chemische samenstellingen er zijn. Er is ook informatie uit af te lezen over de snelheid waarmee een sterrenstelsels roteert.

In totaal zijn er vier verschillende kleuren met elk drie sub-banden, dus eigenlijk twaalf verschillende banden waarin het hele golflengtebereik van 4,9 tot 28,8µm wordt bekeken. Elk van die twaalf banden heeft zijn eigen gratings die het licht opsplitsen. Gratings zijn een soort tralies; ze werken als een prisma, maar dan veel beter. Daarnaast zijn er veertien spiegels die het licht op de juiste manier naar de gratings sturen en daarna als camera's functioneren die op de detector afbeelden.

Een overzicht van de optische architectuur van MIRI, met de primaire componenten in de vorm van de imager en de Medium Resolution Integral Field Spectrometer (MRS). Rechts wordt ingezoomd op deze MRS en is een schematisch diagram te zien van de belangrijkste optische functies. De drie dichroics die het licht opsplitsen tussen de vier spectrometerbanden voor een van de drie subbanden zijn gemarkeerd met D1, D2 en D3. Afbeelding: Wells et al. 2015

Als we de imager en het filterwiel buiten beschouwing laten, kan het pad als volgt worden samengevat: het licht wordt door de dichroics wheels in verschillende kleuren opgesplitst, waarna het naar de IFU's wordt gestuurd die het licht in plakjes snijden en die plakjes naast elkaar zetten. Vervolgens gaan die plakjes de spectrometer in en komt het licht op de gratings. Die maken er een hele regenboog van en tot slot wordt het door de vele spiegels naar de detectoren gestuurd.

De optische lay-out van de imager waarin het filterwiel zichtbaar is en het licht via een three-mirror anastigmat (reflectieve camera's) op de detector valt. Rechts het Spectrometer Main Optics-gedeelte dat in Nederland is gemaakt. Daarbij is te zien hoe het licht bij vier gratings arriveert en via een een three-mirror anastigmat-systeem, gemarkeerd met M1, M2 en M3, naar de detectors gaat. Afbeelding links: Bouchet et al. 2015. Afbeelding rechts: Wells et al. 2015.

Navarro spreekt niet voor niets over een spiegelpaleis. "Het complexe is dat je eigenlijk vier systemen hebt die elk zijn geoptimaliseerd voor hun eigen golflengte. Het lijkt logisch om vier verschillende apparaten maken. Wij hebben het juist zo gedaan dat één apparaat is ontwikkeld dat voor alle vier de golflengtebanden aan alle specificaties voldoet. Dat is veel makkelijker, want dan heb je één apparaat om te testen en als dat goed genoeg is, maak je er vier. Als je na tests weet dat dit systeem de lancering overleeft, gaat zijn spiegelbeeldbroertje de lancering ook wel overleven. Als dat broertje anders was ontworpen, had je hem ook weer helemaal moeten testen", aldus Navarro.

Het complexe 3d-traject dat het licht van de telescoop aflegt in MIRI voordat het op de detectors valt. Hier is het lichtpad te zien voor de Medium Resolution Spectroscopy-module.

Ontwerpen en de keuze voor aluminium

Het lijkt voor de hand te liggen dat een dergelijk complex ontwerp met een hoogwaardig computerprogramma is ontworpen. Navarro vertelt dat er heel lang aan gerekend is, maar dat het begin van de ontwerpfase anders verliep dan je zou denken. "Een optisch ontwerper van TNO was hiervoor verantwoordelijk. Hij zat al tegen zijn pensioen aan en heeft echt nog op de ouderwetse manier alles op millimeterpapier ontworpen. Natuurlijk zijn alle analyses wel met de computer uitgevoerd. Als ik terug ga naar het mechanisch ontwerp, werd daar een eindige-elementenmethodemodel van gemaakt. Daar heeft een heel dikke computer drie maanden aan zitten rekenen om te bepalen of het ontwerp de lancering wel of niet zou overleven. Daarna is alles gemaakt."

MIRI integratie — De integratie van MIRI in de payloadmodule van de James Webb Space Telescope. Dit vond plaats op 29 april 2013 in het NASA Goddard Space Flight Center.

Aluminium

Het grote, centrale deel van MIRI is gemaakt van een massief blok aluminium van 220kg. Dit blok is helemaal uitgehold; bij het frezen is 218,5kg aan materiaal in spanen weggehaald. Vervolgens bleef een doos van 1,5kg over. Daar zijn alle interfaces op gemonteerd, zoals de detectors en de spiegels. Die doos van anderhalve kilo is heel licht, maar ook heel sterk. Dat laatste is belangrijk in verband met de grote krachten tijdens de lancering.

Alles is van aluminium gemaakt; niet alleen de spiegels, maar ook de andere interfaces en de grote blokkenstructuur waar alles op is gemonteerd. Het is heel belangrijk dat alles van één soort materiaal is gemaakt. Bij de operationele temperatuur van MIRI, het extreem lage 6,8 Kelvin, krimpt alles ongeveer 5mm. Alle spiegels zijn gekromd en bij die temperatuur verandert ook de kromtestraal een beetje. Omdat alles van aluminium is gemaakt, blijft het hele systeem intact, want alles krimpt in dezelfde mate. Als naast aluminium nog een ander metaal zou zijn gebruikt, had dat tot afwijkingen en problemen kunnen leiden.

Bij andere instrumenten, zoals NIRSpec, is gekozen voor het high-techmateriaal siliciumcarbide. Waarom koos men bij MIRI voor aluminium? Dat had vooral te maken met het feit dat het eenvoudiger was om te maken en te testen, legt Navarro uit. "We hebben bewust voor deze technologie gekozen. De keuze voor aluminium was heel belangrijk, want het betekende dat we bijna alle testen op kamertemperatuur konden uitvoeren. We zorgden er daarbij voor dat alles precies op zijn plek zat. Uiteraard hebben we ook getest of alles ook in de kou nog goed werkte. Dat verifieer je één keer en dan vink je dat af, in plaats van dat je alles moet testen en afregelen op die rare, lage temperaturen. Met aluminium hebben we alle specificaties gehaald. Alle vliegtuigen zijn ervan gebouwd, dus we weten heel goed wat het doet. Je moet iets niet moeilijker willen doen als dat niet nodig is."

Zou het gebruik van siliciumcarbide in plaats van aluminium toch geen voordelen hebben? Navarro legt uit dat ook bij siliciumcarbide vervorming optreedt. Als je het afkoelt van kamertemperatuur naar de koude werktemperatuur verandert het dus ook van grootte. Op werktemperatuur is het stabieler; de curve van aluminium krimpt dan nog steeds door. Siliciumcarbide vlakt daarentegen af rond de 50 Kelvin. Navarro noemt dat laatste 'heel fijn', maar zegt er meteen bij dat het materiaal een stuk duurder en veel ingewikkelder is om te bewerken. "Het is het op een na hardste materiaal ter wereld. Alleen met diamant kun je het bewerken en dan praat je niet over een klein diamantje, maar eerder over een ding van een meter. Dat is heel tijdrovend en duur. En als het een keer breekt of er een scheurtje in zit, moet je het weggooien en opnieuw beginnen. Dat is bij NIRSpec een keer gebeurd, dat er een scheurtje in het materiaal ontstond. Dat betekende dat ze dat deel opnieuw moesten maken. De projectleider ervan vertelde me laatst nog dat de NIRSpec destijds misschien wel had kunnen worden gelanceerd. Omdat bij de andere onderdelen van de telescoop zoveel vertraging optrad, was er echter genoeg tijd om het te vervangen."

Testen bij gewichtloosheid, bij extreme kou en op trillingen

Het onderwerpen van MIRI aan de nodige tests moet voor de ontwerpers een spannende periode zijn geweest. Het James Webb-project vergt enorme investeringen. Daarom moest worden gegarandeerd dat MIRI niet de rest van de telescoop kapot zou maken, in het geval dat er iets mis mocht gaan. Problemen bij tests leveren mogelijke vertragingen of erger op, en dat wil je niet.

Het team van MIRI is met vlag en wimpel door de eerste fase gekomen. Navarro: "Het stukje hardware van MIRI is voornamelijk tussen 2004 en 2009 ontworpen en getest. Wij waren zo ongeveer de enigen die op schema lagen en binnen budget bleven. In 2009 waren we als eersten klaar. We zijn heel goed gereviewd; alles was conform specificatie, en de ESA en NASA hebben het geaccepteerd. Daarna heeft MIRI drie jaar in de mottenballen gelegen. Pas in 2012 was de rest van het James Webb-project zover gevorderd dat we weer een stapje verder konden met het testen en integreren van MIRI."

Gewichtloosheid

Zarm drop tower — De ZARM Drop Tower in het Duitse Bremen. Deze wordt gebruikt voor testen met microzwaartekracht. Het is een van de hoogste drop towers in Europa, met een hoogte van 146 meter.

Testen bij nul zwaartekracht was een belangrijk onderdeel van de testfase, maar hoe doe je dat op aarde? Bij Estec staat een kleine toren voor valtesten, maar die levert slechts gedurende 1,8 seconden gewichtloosheid op. In Duitsland is een veel hogere toren voor dergelijke tests, die gewichtloosheid gedurende ongeveer 5 seconden mogelijk maakt. Er kan ook worden gedacht aan paraboolvluchten in een vliegtuig, die ook wel de vomit comet worden genoemd omdat je van tevoren vooral niet te veel moet eten. Bij zo'n vlucht heb je momenten van gewichtloosheid voor de duur van 20 seconden. Dat was echter niet goed genoeg voor het team van MIRI.

"We hebben het juist zo simpel mogelijk gedaan", zegt Navarro. "We hielden de MIRI ondersteboven, zetten hem op zijn ene zijkant en daarna op de andere. We hebben hem alle kanten op geflipt en hij bleef goed functioneren. Daarbij zet je dus zwaartekracht op alle zijdes en als het systeem daabij precies hetzelfde blijft doen, doet het dat bij 0g ook nog wel. Dat was acceptabel voor de ESA en NASA, en het is veel simpeler en goedkoper."

James Webb vibratietest — De James Webb Space Telescope is hier ingepakt in een clean tent en wordt door een kraan naar een van de twee *shaker tables* getakeld voor de vibratietesten

Trillingen

Testen op trillingen is ook bepaald niet onbelangrijk, want tijdens de lancering krijgt James Webb daar onherroepelijk mee te maken. Tijdens een test voor de lancering werd eerst een sweep uitgevoerd. Daarbij liet men MIRI trillen bij heel lage frequenties die steeds hoger werden. Navarro: "De mechanisch ontwerpers weten precies bij welke toon welk spiegeltje staat te flapperen of welk boutje gaat trillen. Ze weten precies wat waar aan de hand is, want dat hebben ze ellenlang gesimuleerd. Dat is echter alleen nog maar karakterisatie. Daarna wordt hij op kracht door elkaar geschud en dus echt een lancering gesimuleerd. Vervolgens wordt nog een keer zo'n sweep uitgevoerd. Als één van die resonantiefrequenties dan een beetje verschoven is, hoef je aan de buitenkant nog niks te zien, maar kan één boutje een klein beetje losser zijn gaan zitten. Als dat het geval is, heb je heel veel uit te leggen. Gelukkig hadden wij dat niet."

Extreme kou

Uiteraard is ook getest of MIRI daadwerkelijk goed kan functioneren onder extreme kou. Daarvoor zijn de testkamers uit de Apollo-tijd gebruikt, specifiek de grote vacuümkamers waar NASA destijds de maanlander in heeft getest. Dat is de enige plek ter wereld die groot genoeg is om de hele telescoop in kwijt te kunnen. De ruimte is bij het testen cryostaat gemaakt en met vloeibaar stikstof afgekoeld tot 80 Kelvin. In de ruimte heeft de telescoop een temperatuur van zo'n 48 Kelvin.

De extreme koudetests hielden 90 dagen aan en vonden plaats in het Johnson Space Center in Houston, in de Chamber A-vacuümkamer. Achteraf gezien waren die tests niet eens het meest spannende uit die tijd. In de zomer van 2017 kwam orkaan Harvey namelijk langs Houston, wat leidde tot overstromingen in de regio. NASA gaf aan dat alles veilig was, dat er voorzorgsmaatregelen werden genomen en dat er uiteindelijk geen issues waren met de testoperaties. Navarro herinnert zich dat het toch wel tot enige paniek leidde. Hij vertelt dat niemand van NASA het terrein op mocht, behalve de mensen die de telescoop veilig moesten stellen. Dat was nog niet zo eenvoudig, want volgens Navarro had alleen de projectleider van de test een suv die groot genoeg was om door een halve meter water te rijden om überhaupt bij de telescoop te komen.

Slot: politiek en mooie plaatjes?

Schaalmodellen van James Webb en MIRI. Foto: Ramon Navarro, NOVA

De aanwezigheid van MIRI heeft er volgens Navarro toe geleid dat James Webb een veel grotere discovery space heeft, omdat nu ook het mid-infraroodgedeelte van het spectrum kan worden bestudeerd. Desondanks stond MIRI op een gegeven moment ter discussie. James Webb had voor 1 miljard dollar gereed moeten zijn, maar kostte uiteindelijk tien keer zoveel. Het project was veel te duur voor een enkele ruimtevaartorganisatie, dus moeten NASA en ESA samenwerken. De verschillende visies van de organisaties leidden tot het nodige getouwtrek.

Volgens Navarro zijn er dan ook verschillende momenten geweest waarop het heel spannend was. "Als het aan de Amerikanen had gelegen, hadden ze gewoon een dik kruis gezet door het mid-infraroodgedeelte van spectrum; het was 'nice to have' maar je kon misschien ook wel zonder. MIRI is echter een instrument waar de Europeanen juist heel veel wetenschappelijk onderzoek mee willen doen. De Amerikanen konden het daardoor niet schrappen, want het instrument werd door de Europeanen geleverd. Stiekem zit er ook wel een hoop politiek achter."

Worden James Webb-foto's net zo mooi als die van Hubble?

Hoewel Hubble al zo'n dertig jaar in een baan om de aarde draait, maakt deze ruimtetelescoop nog altijd fraaie foto's. Zo is met de Wide Field Camera 3-camera de iconische Hubble Ultra-Deep Field-foto gemaakt, waar een enorme hoeveelheid sterrenstelsels in het verre, diepe heelal op is te zien. Misschien is de foto genaamd 'Pilaren der Creatie' uit 1995 nog wel bekender. Daarop zijn 'pilaren' van interstellair gas en stof uit de Adelaarsnevel te zien.

Een versie van de Hubble Ultra Deep Field-foto en rechts de vroegere, originele Hubble Deep Field uit 1995.

Hoe mooi de inmiddels vele, openbare foto's ook zijn, Hubble maakt er in werkelijkheid nog veel meer. Ze worden doorgaans voor wetenschappelijke doeleinden gebruikt en dus lang niet allemaal gepubliceerd. Op de foto's die wel worden gepubliceerd, is volgens Navarro iemand van NASA soms wel een half jaar aan het photoshoppen. Hij vindt dat ze er vaak fantastisch uitzien. "NASA lijkt soms wel een PR-organisatie die ook aan ruimtevaart doet", zegt hij lachend.

Hij weet niet of James Webb in staat zal zijn om ook zulke mooie foto's te maken. Dat heeft natuurlijk deels te maken met het andere blikveld, de telescoop vangt vooral naar infrarood licht en niet zozeer optisch. Navarro wijst wel op twee troeven van James Webb. De ene troef is dat de telescoop verder in het infrarood kan waarnemen. Daardoor kun je beter door stofwolken heen kijken. In die stofwolken worden sterren geboren en ontstaan ook planeten. In zichtbaar licht kijk je niet door die stofwolken heen, maar met infraroodlicht wel. Dat is vanuit wetenschappelijk oogpunt interessant, maar Navarro denk dat het plaatje er wel iets minder mooi van wordt omdat je niet meer die mooie structuren en stofwolken ziet.

De 'Pilaren der Creatie' uit de Adelaarsnevel; links in 'zichtbaar' licht afgebeeld en rechts in infrarood.

James Webb heeft nog een andere troefkaart: hij kan veel verder in het heelal kijken en dat is erg handig met het uitdijende universum. Daarbij geldt bovendien als regel: hoe verder weg, hoe sneller de uitdijing. Er is nog heel veel te zien en te ontdekken in het verre universum. Daar gaf de Hubble Deep Field-foto al een idee van.

Die iconische foto kwam volgens Navarro echter niet zonder slag of stoot tot stand. "Voor het maken van die foto staarden ze elf dagen lang naar een klein stukje hemel waarvan ze eigenlijk dachten dat er niets was te vinden. Eigenlijk wilde men vooral kijken of er überhaupt iets zou worden gevonden. Een van de directeuren van de Hubble heeft dat plan erdoor gedrukt, ondanks veel tegenspraak. Je moest ze eens horen; Hubble elf dagen op een stukje niks richten! Uiteindelijk waren er duizenden sterrenstelsels te zien, zo ver het oog kan reiken. Daardoor kwamen we erachter dat het heelal nog veel groter is dan ooit gedacht, en dat er al in het begin van het heelal sterrenstelsels waren. Daar kunnen we nu met infraroodlicht nog veel beter naar kijken. In die zin verwacht ik er een hoop van, maar zoals gezegd weet ik niet of de plaatjes zo mooi worden."