NASA/ESA/CSA詹姆斯韦伯太空望远镜被广泛称为NASA/ESA哈勃太空望远镜的继任者。实际上，它的继任者远不止于此。随着中红外仪器(MIRI)的加入，韦伯也成为红外太空望远镜的继任者，例如欧空局的红外空间天文台(ISO)和美国宇航局的斯皮策太空望远镜。

MIRI如何成为韦伯最酷的乐器

在中红外波长处，宇宙与我们习惯用肉眼看到的地方截然不同。中红外从3到30微米延伸，显示温度为30到700ºC的天体。在这种情况下，在可见光图像中看起来很暗的物体现在会发光。

例如，恒星形成的尘埃云往往处于这些温度。此外，在这些波长下，分子往往很容易被看到。MIRI仪器背后的欧洲联盟首席研究员GillianWright说：“就你可以做的化学而言，这是一个令人兴奋的波长范围，以及你可以了解恒星形成和星系核中发生的事情的方式。”.

我们对中红外宇宙的第一次真正一瞥来自ISO，它在1995年11月至1998年10月期间运行。2003年到达轨道后，斯皮策在类似的波长上取得了进一步的进展。ISO和Spitzer的发现都强调了需要具有更大收集区域的中红外能力，以获得更好的灵敏度和角分辨率，以推进天文学中的许多重大问题。

Gillian和其他人开始梦想有一种仪器可以清晰地看到中红外光。对他们来说不幸的是，ESA和NASA将较短波长的近红外视为韦伯的主要目标。ESA将率先开发近红外光谱仪，后来成为NIRSpec，而NASA将目光投向了后来成为NIRCam的成像仪。

不要被吓倒，当欧空局发出呼吁研究他们的近红外光谱仪仪器时，吉莉安和她的同事们看到了机会。

“我领导的一个团队做出了相当厚颜无耻的回应。它说我们将研究近红外光谱仪，但我们也会有一个额外的频道来做所有这些中红外科学。我们提出了科学案例来解释为什么中红外天文学在韦伯上会很棒，”她说。

尽管她的团队没有赢得那份特别的合同，但这一大胆的举动帮助提升了欧洲中红外天文学的知名度，她本人被邀请代表这些科学兴趣参与欧洲航天局的另一项研究，该研究调查了欧洲工业制造红外仪器的能力。在来自欧洲各地的学术机构的协助下，该研究的一部分着眼于中红外仪器。

结果是如此令人鼓舞，与美国主导的平行研究一样，人们对这种工具的需求越来越大。通过在欧洲召集愿意并能够设计和制造该仪器的科学家和工程师的国际合作——并为此筹集资金——Gillian和她的合作者鼓励并逐渐说服ESA和NASA将其纳入韦伯。

大型财团并不是在欧洲建造航天器仪器的不寻常方式。欧空局经常建造航天器或望远镜，然后依靠学术和工业机构的财团从本国政府筹集资金来建造这些仪器。但这在美国很不寻常，美国宇航局通常也会资助该仪器。

在仪器制造文化如此不同的美国宇航局旗舰任务中，将欧洲在这种与美国的国际合作领域中的领导地位扩展，并不能保证成功。

“最大的担忧是这种复杂性将成为对仪器的最大威胁，”欧空局MIRI仪器经理JoseLorenzoAlvarez说。

但正如Jose解释的那样，这场赌博得到了回报：“看到具有完全不同工作文化的人之间的态度发生了变化，这令人惊讶。在最初的几年里，我们处于学习曲线上。最后，在组织上更加复杂的MIRI，是第一个交付的乐器。”

除了筹集自己的资金外，该财团还得到了另一个警告：该仪器不会对Webb的工作温度和光学元件产生影响。换句话说，望远镜将继续针对近红外仪器进行优化，而MIRI将接受它所能得到的任何东西。这会将仪器的性能限制在十微米以上，但对Gillian来说这是一个很小的代价。“我从不认为这是一种妥协，因为它仍然比我们以前见过的任何东西都要好，”她说。

要克服的最大技术障碍之一是MIRI需要在比近红外仪器更低的温度下运行。这是通过美国宇航局喷气推进实验室提供的低温冷却器机制实现的。为了对中红外波长敏感，MIRI的工作温度约为6开尔文(–267°C)。

这低于冥王星的平均表面温度，约为40开尔文(–233°C)。巧合的是，这个温度是其他仪器和望远镜工作的地方。两者都是极冷的温度，但由于这种差异，来自望远镜的热量一旦被利用到望远镜，仍然会泄漏到MIRI中，除非两者彼此热隔离。

“为了最大限度地减少热泄漏，我们必须选择一些非常奇怪且非常奇特的线束材料，以最大限度地减少从一侧到另一侧的热传导，”ESA的MIRI系统工程师BrianO'Sullivan说。

另一个挑战是望远镜上仪器可用的空间有限。这变得更加困难，因为MIRI实际上是两个仪器合二为一，一个成像仪和一个光谱仪。它需要一些巧妙的设计工作。

“我们有一个机制，我们不仅使用从一侧照射的光，而且我们也使用它的另一侧，只是为了尽量减少我们使用的机制数量和我们占用的空间。这是一个非常有趣的和非常紧凑的光学设计，”Brian说。

该仪器的成像仪使用一条光路，光谱仪使用另一条光路。

即使在仪器完成并交付给NASA以与望远镜的其余部分集成之后，该团队仍面临更多挑战。

这台极其复杂的望远镜完成的时间比任何人想象的都要长，这意味着MIRI和其他仪器需要在地面上生存的时间比原计划要长得多。设计为在发射前在地球上停留大约三年，航天器到达轨道需要将近十年的时间。为确保仪器的健康，MIRI储存在严格控制的条件下，并定期进行测试。

然后在2021年圣诞节，欧空局的阿丽亚娜5号火箭将航天器送入轨道，进行了完美的发射。在接下来的几周和几个月里，地面团队准备好望远镜及其仪器并交给科学家。

与其他仪器一起，MIRI现在正在发回科学家们梦寐以求的那种数据。

“是的，尤其是最初的几个月是非常超现实的，”欧空局MIRI仪器和校准科学家SarahKendrew说。“我们一直在用模拟数据做很多准备工作，所以从某种意义上说，我们知道数据会是什么样子。所以你可能会认为它看起来很熟悉，但与此同时，它只是像，但它来自太空!”

MIRI的数据在韦伯发布的第一批​​图像中占有重要地位，包括船底座星云的“山脉”和“山谷”、相互作用的星系群斯蒂芬五重奏和南环星云。随后的图像在美丽和科学方面继续提高标准。

然而，由于MIRI与之前的任何中红外仪器相比都有了很大的进步，因此在解释图像方面的标准也提高了。“MIRI为我们提供了许多难以解释的新事物，因为MIRI与以前的情况有很大不同，”Sarah说。

但这是尖端科学的精髓，天文学家已经在竞相开发更详细的计算机模型，这些模型可以告诉他们更多关于产生中红外读数的各种物理过程。

“对MIRI的新认识有巨大的潜力，特别是在恒星形成以及尘埃和星系的特性方面。解释可能需要更长的时间，但我认为MIRI产生的新科学将是真的，真的实质性的，”莎拉说。

MIRI与韦伯上的其他仪器一起，有可能推动天文学的每一个分支。这是一种变革性的科学，只有通过能力的大幅提升才能实现。这是对整个望远镜，尤其是MIRI的团队合作和国际合作的非凡证明。

“使MIRI发生的原因是团队精神。我们都想要同样的东西，那就是科学。人们愿意一起工作和一起解决问题是MIRI发生的真正原因，”Gillian说。