Cómo se ha convertido MIRI en el instrumento más fascinante del Webb

Con las longitudes de onda del infrarrojo medio, el universo es un lugar muy diferente al que estamos acostumbrados a ver con nuestros ojos. El infrarrojo medio, que se extiende de 3 a 30 micrómetros, permite ver objetos celestes con temperaturas de 30 a 700 ºC. En este sistema, los objetos que aparecen oscuros en las imágenes con luz visible brillan intensamente. 

Por ejemplo, las nubes de polvo en las que se forman las estrellas tienden a estar a estas temperaturas. Además, las moléculas suelen apreciarse con facilidad en estas longitudes de onda. «Se trata de un rango de longitud de onda interesantísimo en términos químicos respecto a lo que permite hacer, y a la forma en que permite entender la formación de estrellas y lo que sucede en los núcleos de las galaxias», dice Gillian Wright, investigadora principal del consorcio europeo encargado del instrumento MIRI.

Las primeras imágenes reales del cosmos en el infrarrojo medio provinieron del telescopio espacial ISO de la ESA, que estuvo en funcionamiento entre noviembre de 1995 y octubre de 1998. Al ponerse en órbita en 2003, el telescopio espacial Spitzer de la NASA siguió consiguiendo avances en longitudes de onda similares. Tanto los descubrimientos del ISO como los de Spitzer pusieron de manifiesto la necesidad de una capacidad de infrarrojo medio con un área de captación más amplia para una mayor sensibilidad y resolución angular que dieran respuesta a muchas de las cuestiones principales de la astronomía. 

Gillian, junto con otros investigadores, empezó a soñar con un instrumento que pudiera ver el infrarrojo medio con gran detalle. Desafortunadamente para ellos, la ESA y la NASA consideraron las longitudes de onda más cortas del infrarrojo cercano como el objetivo principal del Webb. La ESA tomó la delantera con un espectrómetro de infrarrojo cercano, que dio lugar al NIRSpec, y la NASA dedicó sus esfuerzos a un generador de imágenes que se convirtió en el NIRCam. 

Lejos de desanimarse, cuando la ESA emitió una convocatoria de propuestas para estudiar su espectrómetro de infrarrojo cercano, Gillian y sus colegas vieron una oportunidad. 

«Dirigí un equipo que planteó una respuesta bastante atrevida: estudiaríamos el espectrógrafo de infrarrojo cercano, pero también dispondríamos de un canal adicional que aprovecharíamos para llevar a cabo trabajo científico relacionado con el infrarrojo medio. Y presentamos una propuesta científica en la que defendimos que el trabajo astronómico en el infrarrojo medio repercutiría muy positivamente en el Webb», añade Gillian. 

Aunque su equipo no obtuvo ese contrato en particular, este movimiento tan valiente ayudó a mejorar la imagen de la astronomía del infrarrojo medio en Europa, y la misma Gillian fue invitada a representar esos intereses científicos en otro estudio de la ESA que analizó la capacidad de la industria europea para construir instrumental infrarrojo. Con la ayuda de instituciones académicas de toda Europa, parte de ese estudio analizó el instrumental del infrarrojo medio. 

Los resultados fueron tan alentadores, al igual que los de estudios paralelos dirigidos por EE. UU., que el interés por dicho instrumento no hizo más que crecer. Tras reunir en Europa un equipo internacional de científicos e ingenieros dispuestos a y capaces de diseñar y construir el instrumento, y tras recaudar el dinero fundamental para hacerlo realidad, Gillian y sus colaboradores consiguieron animar y convencer gradualmente a la ESA y a la NASA para que lo incorporaran al Webb.

Es habitual que los instrumentos de naves espaciales en Europa se desarrollen gracias a grandes consorcios. La ESA, a menudo, construye la nave espacial o el telescopio y posteriormente depende de consorcios de instituciones académicas e industriales que recaudan fondos de sus Gobiernos nacionales para construir los instrumentos. Esta táctica, sin embargo, no es habitual en los EE. UU., donde la NASA suele financiar también el instrumental. 

Ampliar el liderazgo europeo en este método de trabajo al ámbito de la colaboración internacional con los EE. UU. en una misión insignia de la NASA donde la cultura de la creación de instrumentos es tan diferente no suponía una garantía de éxito. 

«Lo que más temíamos era que esta complejidad supusiera la mayor amenaza para el instrumento», dice José Lorenzo Álvarez, máximo responsable del instrumento MIRI en la ESA.

 Sin embargo, la apuesta dio resultado, según explica José: «Fue sorprendente ver el cambio de actitud de personas con culturas de trabajo completamente diferentes. Durante los primeros años, estuvimos en una curva de aprendizaje. Al final, MIRI, que era más complejo desde el punto de vista organizativo, fue el primer instrumento en completarse». 

Además de recaudar su propio dinero, al consorcio se le impuso otro requisito: el instrumento no podría ejercer ningún impacto en las temperaturas de funcionamiento y la óptica del Webb. En otras palabras, el telescopio permanecería optimizado para los instrumentos de infrarrojo cercano y para MIRI se aceptaría aquello que se pudiera conseguir. Esto limitaría el rendimiento del instrumento para luz de longitud de onda más allá de diez micrómetros, pero era el precio que Gillian tenía que pagar. «Nunca lo vi como un compromiso, porque, pese a todo, seguía siendo mejor que nada que hubiésemos visto antes», afirma.

Uno de los mayores obstáculos tecnológicos que hubo que superar fue que MIRI necesitaba funcionar a una temperatura más baja que los instrumentos de infrarrojo cercano. Esto se logró con el mecanismo de refrigeración criogénica proporcionado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA. Para ser sensible a las longitudes de onda del infrarrojo medio, MIRI opera a alrededor de 6 Kelvin (–267 °C). Esta temperatura está por debajo de la temperatura media de la superficie de Plutón, que es de alrededor de 40 Kelvin (-233 °C), y coincide con aquella a la que operan los otros instrumentos y el telescopio. Ambas temperaturas son extremadamente frías, pero, debido a esa diferencia, el calor del telescopio aún se filtraría al MIRI una vez que se conectara al telescopio, a menos que ambos estuvieran aislados térmicamente entre sí. 

«Para minimizar las fugas térmicas, tuvimos que optar por materiales bastante inhabituales y exóticos con el fin de minimizar la conductibilidad térmica de un lado al otro», dice Brian O’Sullivan, ingeniero de sistemas MIRI para la ESA. 

Otro desafío lo planteó el espacio limitado disponible para el instrumento en el telescopio, lo cual se complicaba aún más al tenerse en cuenta que MIRI iba a reunir, efectivamente, dos instrumentos en uno: un generador de imágenes y un espectrómetro. Requería un trabajo de diseño inteligente. 

«Tenemos un mecanismo, y no solo usamos la luz que brilla en un lado, sino que también usamos el otro lado, solo para minimizar la cantidad de mecanismos que usamos y el espacio que ocupamos. Se trata de un diseño óptico muy interesante y muy compacto», apunta Brian. 

El instrumento utiliza una trayectoria de haz luminoso para su generador de imágenes y otra para su espectrómetro. 

Incluso después de que el instrumento se completara y entregara a la NASA para su incorporación al resto del telescopio, el equipo tuvo que seguir afrontando desafíos. 

El telescopio supuso un sinfín de enormes complicaciones, y su finalización llevó más tiempo de lo que nadie había imaginado. Eso significaba que MIRI y los demás instrumentos tendrían que sobrevivir en tierra mucho más tiempo de lo planeado originalmente. Aunque se había diseñado para permanecer en la Tierra durante unos tres años antes del lanzamiento, pasó casi una década antes de poder ponerse en órbita la nave espacial. Para garantizar el buen estado del instrumento, MIRI se almacenó en condiciones estrictamente controladas y se probó periódicamente. 

Finalmente, el día de Navidad de 2021, un cohete Ariane 5 de la ESA puso la nave espacial en órbita en un lanzamiento perfecto. En las semanas y meses siguientes, los equipos de tierra prepararon el telescopio y sus instrumentos y los entregaron a los científicos.

Junto con los demás instrumentos, MIRI envía actualmente el tipo de datos con los que los científicos habían estado soñando. 

«Sí, esos primeros meses en particular fueron bastante surrealistas», dice Sarah Kendrew, científica de Instrumento y Calibración de MIRI, ESA. «Habíamos hecho mucho trabajo de preparación con datos simulados, así que, en cierto sentido, sabíamos qué aspecto tendrían los datos. Así, aunque al contemplar el resultado todo podía parecer muy familiar, al mismo tiempo se acaba cayendo en la cuenta de que... ¡viene del espacio!». 

Los datos de MIRI contaron con gran protagonismo en las primeras imágenes publicadas por el Webb, incluidas las «montañas» y los «valles» de la nebulosa de Carina, el grupo de galaxias en interacción del Quinteto de Stephan y la nebulosa del Anillo del Sur. El listón no ha parado de subir con las imágenes posteriores, tanto en términos de belleza como en el plano científico. 

Sin embargo, dado que MIRI ha dado un gran paso adelante con respecto a cualquier instrumento de infrarrojo medio anterior, el listón también se eleva en lo referente a la interpretación de las imágenes. «MIRI nos aporta muchas novedades difíciles de interpretar, lo cual se debe simplemente a que ofrece mucho más de lo que había hasta entonces», dice Sarah.

Pero aquí radica la esencia de la ciencia de vanguardia, y los astrónomos ya están compitiendo para desarrollar modelos informáticos más detallados que puedan brindarles más información sobre los diversos procesos físicos que dan lugar a las lecturas del infrarrojo medio. 

«MIRI nos ofrece una enorme cantidad de nueva información potencial, particularmente en lo relativo a la formación de estrellas y a las propiedades del polvo y las galaxias. Aunque interpretar sus datos puede llevar tiempo, creo que los nuevos avances científicos que surgirán de MIRI serán realmente significativos», añade Sarah. 

MIRI, junto con los demás instrumentos de Webb, puede impulsar el avance de todas las ramas de la astronomía, y constituye el tipo de avance científico transformador que surge solo a través de un gran aumento en la capacidad. Sirve, además, como un notable testimonio del trabajo en equipo y la colaboración internacional que se consiguió con el telescopio en general, y con MIRI en particular. 

«MIRI se hizo realidad gracias al espíritu de equipo. Todos queríamos lo mismo: el avance científico. La disposición de las personas para trabajar y resolver problemas conjuntamente fue lo que, al final, permitió que MIRI pudiera concretarse», recuerda Gillian. 

Ahora, todo el mundo se beneficia de aquello.

Webb’s instruments: meet MIRI
Access the video

Más información
El Webb es el telescopio más grande y potente jamás puesto en órbita. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. En colaboración con sus socios, la ESA se ha hecho cargo del desarrollo y cualificación de las adaptaciones del Ariane 5 para la misión Webb, así como de la contratación, por parte de Arianespace, del servicio de lanzamiento. La ESA también aportó el eficaz espectrógrafo NIRSpec y el 50 % del instrumento del infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados a escala nacional (Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el JPL y la Universidad de Arizona. El Webb es un proyecto internacional dirigido por la NASA, en colaboración con la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).

El consorcio MIRI lo formaron instituciones e industrias de diez países europeos, la ESA y la NASA. Los principales socios del consorcio fueron: Centro Tecnológico de Astronomía del Reino Unido, Airbus UK, Universidad de Leicester, laboratorio Rutherford Appleton, Universidad de Cardiff, Reino Unido; DIAS, Irlanda; CSL, Universidad de Lovaina, Bélgica; CEA, LESIA/LAM, Francia; INTA, España; Universidad de Estocolmo, Suecia; DTUSpace, Dinamarca; grupo NOVA IR, Universidad de Leiden, Países Bajos; MPIA Heidelberg, Universidad de Colonia, Alemania; ETH, Cover, Suiza.