Enhancing the performance and capabilities of the MIRI instrument on JWST

Stel je het universum voor als een enorme, stoffige zolder vol geheimen. De meeste telescopen zijn als zaklampen die alleen het heldere, voor de hand liggende meubilair in het midden van de kamer zien. Maar sommige van de meest interessante dingen—zoals de warme gloed van babysterren die worden geboren of de stoffige ringen rond verre planeten—zijn verborgen in de schaduwen, gloeiend in een speciaal soort licht dat "mid-infrarood" wordt genoemd. Dit licht is als een warmtesignatuur; het is onzichtbaar voor onze ogen en wordt geblokkeerd door de aardatmosfeer, waardoor we het vanaf de grond niet kunnen zien. Om deze warmtesignaturen op te vangen, hebben we een supergevoelige, vanuit de ruimte opererende camera nodig die kan functioneren in de ijzige kou van de ruimte. Dat is waar de James Webb Space Telescope (JWST) om de hoek komt kijken, en specifiek het "Mid-Infrared Instrument" (MIRI). Denk aan MIRI als de enige nachtzichtbril op de hele telescoop die voorbij 5 micrometer (een eenheid van lichtgolflengte) kan kijken. Het is het enige instrument dat we hebben om in deze specifieke, uitdagende hoek van de kosmische zolder te kunnen gluren.

Zelfs de beste instrumenten hebben af en toe een onderhoudsbeurt nodig. Slechts vier jaar na aanvang van de missie realiseerde het team achter MIRI zich dat, hoewel de camera geweldige foto's maakte, hij af en toe over zijn eigen veters struikelde. Dit artikel is in essentie een "monteursrapport" over hoe zij die veters aan het strikken zijn. De auteurs ontdekken in dit document geen nieuwe sterren; in plaats daarvan beschrijven ze een reeks software-updates en hardware-aanpassingen die ontworpen zijn om het instrument sneller, stiller en minder foutgevoelig te maken. Ze repareren een brommend geluid dat de data verstoort, bedenken nieuwe manieren om de sensoren van de camera uit te lezen om ruimte te besparen en statische ruis te verminderen, en creëren een vangnet om te voorkomen dat de telescoop zijn doelwit verliest. Het doel is simpel: ervoor zorgen dat wanneer MIRI naar het universum kijkt, het dit helder ziet, zonder de wazigheid, de brom of de blunder.

Het Bromgeluid en de "In-Phase" Fix

Stel je voor dat je probeert naar een rustig liedje op de radio te luisteren, maar elke keer als de naald een specifieke beat raakt, stoort een harde, ritmische brom. Dat is wat er gebeurde met de camera van MIRI. Het instrument pikte een specifieke elektromagnetische interferentie (EMI)-ruis op met een frequentie van 390 Hz. Deze ruis was als een spook dat alleen in bepaalde delen van de afbeelding verscheen, en het was vooral irritant tijdens "Time Series Observations" (TSO's), waarbij de telescoop urenlang naar één enkel object kijkt om te zien hoe het verandert. Omdat het ruispatroon bewoog, zag het eruit als een flikkerend, afleidend artefact in de data.

De ingenieurs realiseerden zich dat de ruis niet synchroon liep met de manier waarop de camera de pixels uitleest. Het was alsof je probeert mee te klappen op het ritme van een drummer die net uit de maat loopt. Om dit op te lossen, probeerden ze de ruis niet alleen achteraf weg te filteren; ze ontwierpen de "subarrays" (kleinere, snellere secties van de camerasensor die voor specifieke taken worden gebruikt) opnieuw. Ze creëerden nieuwe versies van deze subarrays, gelabeld met "IP" voor "In-Phase". Door de vorm en grootte van deze leesgebieden licht te veranderen, verschoven ze de timing van de pixel-uitlezingen zodat deze precies synchroon liepen met de ruis. Nu, in plaats van tegen de brom te vechten, leest de camera de data op een manier waarop de ruis niet interfereert. Bijvoorbeeld, de oude SUB128-subarray wordt vervangen door een nieuwe SUB128 IP, die slechts een klein beetje breder is (132 kolommen in plaats van 128) om de timing perfect te houden. Deze verandering is zo nauwkeurig dat waarnemers kunnen schakelen tussen de oude en nieuwe versies met vrijwel geen verschil in de tijd die de waarneming in beslag neemt.

Het vervangen van "Langzaam" door het "Slimme Gemiddelde"

Het artikel pakt ook een probleem aan met de manier waarop de camera data uitleest. De standaardmanier waarop MIRI zijn sensoren uitleest is genaamd FASTR1, waarbij de camera één keer een foto van elke pixel maakt. Voor zeer zwakke objecten probeerde het team eerder een modus genaamd SLOWR1, die bedoeld was om acht foto's van dezelfde pixel te maken en deze samen te middelen om de "statische ruis" (read noise) te elimineren. Het idee was dat het middelen van acht foto's de afbeelding met een factor van de wortel uit 8 duidelijker zou maken.

Echter, het team kwam erachter dat SLOWR1 niet werkte zoals verwacht. Niet alleen was de ruisonderdrukking niet zo goed als voorspeld, maar het schakelen tussen de snelle modus (FASTR1) en de langzame modus (SLOWR1) zorgde ervoor dat het instrument ongelijkmatig opwarmde en afkoelde. Deze thermische instelling creëerde vreemde, boogvormige artefacten in de beelden, als een spookachtig veegsel dat direct na de overgang verschijnt. Het was alsof je zo abrupt van versnelling wisselt in een auto dat de motor schokt en een bandenspoor achterlaat.

De oplossing was een slim gemiddelde genaamd FASTGRPAVG8. In plaats van de interne staat van de camera te veranderen om meerdere langzame uitlezingen te doen, maakt de camera nog steeds één snelle foto van elke pixel (net als FASTR1). Maar vervolgens neemt de computer 8 van deze snelle frames en middelt deze samen nadat ze zijn uitgelezen, maar voordat ze worden opgeslagen. Dit bereikt hetzelfde voordeel in ruisonderdrukking als de langzame modus, zonder de thermische schokken of de vreemde artefacten. Het is als het maken van acht snelle snapshots met een smartphone en de software van de telefoon het werk laten doen om ze direct te mengen tot één perfect beeld met weinig ruis. Het team plant om over te stappen op de FASTGRPAVG8-modus voor wetenschappelijke waarnemingen vanaf Cycle 6, waarbij de problematische SLOWR1-modus wordt uitgefaseerd.

Het "Dithering" Vangnet

Een van de meest kritieke onderdelen van het maken van een foto met MIRI is "Target Acquisition" (TA). Voordat de telescoop aan zijn echte wetenschappelijke werk kan beginnen, moet hij het exacte centrum van de doelster of het doel-stelsel vinden en erop vastzetten. Voor sommige modi moet het doel binnen een minuscule spleet (0,5 boogseconde breed) of op een specifieke plek op een masker worden geplaatst. Als de telescoop deze plek mist, is de hele waarneming verpest.

Het team analyseerde honderden eerdere pogingen en stelde vast dat hoewel de meeste succesvol waren, ongeveer 12% faalde. Veel van deze mislukkingen werden veroorzaakt door gebruikersfouten, zoals het kiezen van de verkeerde helderheidsinstellingen, maar sommige werden veroorzaakt door onvoorspelbare "rogue" pixels op de camera of plotselinge inslagen van kosmische straling (hoogenergetische deeltjes uit de ruimte). Stel je voor dat je een munt op een tafel probeert te balanceren; als een klein stofje (een slechte pixel) of een plotselinge windvlaag (een kosmische straal) de tafel raakt op het moment dat je de munt plaatst, kan hij omvallen.

Om dit op te lossen, introduceert het team een "dithered" benadering. In plaats van slechts één foto te maken om het doel te vinden, zal de telescoop drie foto's maken, waarbij de positie tussen elke foto licht verschuift. Als een kosmische straal de sensor in de eerste foto raakt, zal deze in de tweede of derde foto niet op dezelfde plek zitten. Wanneer de computer deze drie beelden combineert, verdwijnen de willekeurige ruis en de slechte pixels, waardoor een helder beeld van het doel overblijft. Het is als het maken van drie foto's van een bewegende vogel en deze op elkaar stapelen; de vogel blijft in het midden, maar de willekeurige stofjes op de lens vallen weg. Deze nieuwe methode wordt naar verwachting eind 2026 of begin 2027 uitgerold, wat de telescoop veel betrouwbaarder maakt bij het vinden van zijn doelwitten.

Nieuwe Manieren om naar het Universum te Kijken

Ten slotte belicht het artikel een aantal nieuwe "modi" of manieren om het instrument te gebruiken die nu ontsloten worden. Een belangrijke toevoeging is "Wide-Field Slitless Spectroscopy" (WFSS). Voorheen kon de telescoop alleen het licht van een enkel object in een regenboog (spectrum) uiteen laten vallen als het door een specifieke spleet keek. Nu, met WFSS, kan de telescoop het licht van elk object in een groot gezichtsveld tegelijkertijd uiteen laten vallen. Het is also dạng een enkele lenscamera te veranderen in een groothoekprisma dat de regenboog van een hele menigte sterren tegelijkertijd vastlegt. Deze modus zal beschikbaar zijn vanaf Cycle 5.

Daarnaast test het team het gebruik van de smalle spleet voor Time Series Observations. Voorheen gebruikten ze alleen de brede, slitless modus om het passeren (transits) van planeten voor sterren te observeren, omdat ze bezorgd waren dat de telescoop zou kunnen driften en het doel in de kleine spleet zou verliezen. Nieuwe gegevens tonen echter aan dat de telescoop ongelooflijk stabiel is, en binnen 0,4% van een pixel blijft gedurende 24 uur. Deze stabiliteit betekent dat ze nu de smalle spleet kunnen gebruiken, die meer achtergrondruis blokkeert, om nog duidelijkere gegevens te krijgen over deze transiterende planeten. Ze introduceren ook nieuwe, kleinere subarrays (zoals SUBSLIT) die een snellere uitlezing van data mogelijk maken, wat cruciaal is voor het opvangen van de snelle veranderingen tijdens deze planetaire gebeurtenissen.

Samenvattend is dit artikel een viering van voortdurende verbetering. Het MIRI-instrument is al een wonder van techniek, maar door de brommelding te repareren, het uitleesproces te versoepelen en vangnetten toe te voegen voor doelverwerving, zorgt het team ervoor dat de telescoop de helderste en meest betrouwbare beelden van het mid-infrarode universum mogelijk blijft leveren. Dit zijn geen kleine aanpassingen; dit zijn essentiële upgrades die JWST jarenlang aan de vooravond van nieuwe ontdekkingen zullen houden.