Enhancing the performance and capabilities of the MIRI instrument on JWST

想象一下，宇宙就像一个充满秘密的巨大、布满灰尘的阁楼。大多数望远镜就像手电筒，只能看到房间中央那些明亮、显眼的家具。但一些最有趣的东西——比如正在诞生的婴儿恒星发出的温暖光芒，或是遥远行星周围的尘埃环——都隐藏在阴影中，闪烁着一种被称为“中红外线”的特殊光芒。这种光就像热信号；它对肉眼是不可见的，也会被地球的大气层阻挡，因此我们无法从地面观测到。为了捕捉这些热信号，我们需要一台能在太空极寒环境下工作的超灵敏空间相机。这就是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）以及特别是其“中红外仪器”（MIRI）大显身手的地方。你可以把 MIRI 想象成整台望远镜上唯一的夜视护目镜，它能看到超过 5 微米（一种光波长）的光谱。它是我们窥探这个特定且具有挑战性的宇宙阁楼角落的唯一工具。

即便是一流的工具也需要进行一些微调。在任务开展仅四年后，MIRI 背后的团队意识到，虽然这台相机正在拍摄惊人的照片，但它偶尔会自己绊到自己的鞋带。这篇论文本质上是一份“机械师报告”，描述了他们是如何通过收紧这些鞋带来解决问题的。作者们在这份文档中并不是在发现新的恒星；相反，他们是在描述一系列旨在让仪器更快、更安静、且更不容易出错的软件更新和硬件微调。他们正在修复一种干扰数据产生的嗡嗡声，发明新的读取相机传感器的方法以节省空间并减少静电，并建立一个安全网以防止望远镜丢失目标。目标很简单：确保当 MIRI 观测宇宙时，它看到的景象清晰透明，没有模糊、没有嗡嗡声，也没有差错。

嗡嗡声与“同相位”修复方案

想象一下，你正试图听一段安静的广播音乐，但每当指针触及某个特定的节拍时，就会出现一阵响亮的、有节奏的嗡嗡声干扰你。这就是 MIRI 相机正在经历的情况。该仪器捕捉到了一个频率为 390 Hz 的特定电磁干扰（EMI）噪声。这种噪声就像一个幽灵，只出现在图像的某些部分，而且在“时间序列观测”（TSOs）期间尤其令人恼火，因为在这种模式下，望远镜会连续数小时观察单个天体以观察其变化。由于噪声模式会发生移动，它在数据中看起来像是一种闪烁、令人分心的伪影。

工程师们意识到，这种噪声与相机读取像素的方式不同步。这就像试图跟着一个节奏略微偏离的鼓手一起拍手。为了解决这个问题，他们不仅仅是尝试在后期过滤掉噪声；他们重新设计了“子阵列”（用于特定任务的相机传感器较小、较快的部分）。他们创建了带有“IP”（意为“In-Phase”，即“同相位”）标签的新版本子阵列。通过稍微改变这些读取区域的形状和大小，他们改变了像素读取的时序，使其能够精确地与噪声同步。现在，相机不再与嗡嗡声作斗争，而是通过一种让噪声无法干扰的方式来读取数据。例如，旧的 SUB128 子阵列正被新的 SUB128 IP 取代，后者仅仅是稍微宽了一点（从 128 列变为 132 列），以保持完美的时序。这种变化非常精准，观测者在切换新旧版本时，几乎感觉不到观测时长上的差异。

用“智能平均”取代“缓慢”

这篇论文还解决了相机读取数据的一个问题。MIRI 读取传感器的标准方式被称为 FASTR1，即对每个像素进行一次快速抓拍。对于非常暗淡的天体，团队之前尝试过一种名为 SLOWR1 的模式，该模式本应像对同一个像素拍摄八张照片并将其平均化以抵消“静电”（读出噪声）一样。其原理是，通过对八张照片取平均值，可以将图像清晰度提高到原来的平方根倍。

然而，团队发现 SLOWR1 的效果并不如预期。不仅噪声降低的效果不如预测，而且在快速模式（FASTR1）和慢速模式（SLOWR1）之间切换会导致仪器热量分布不均。这种热平衡过程中的不稳定产生了一种奇怪的弧形伪影，就像在切换模式后立即出现的幽灵般的拖影。这就像在开车时突然换挡，导致引擎剧烈震动并留下了轮胎摩擦的痕迹。

解决方案是一个聪明的折中方案，称为 FASTGRPAVG8。与其改变相机的内部状态来执行多次慢速读取，不如让相机仍然对每个像素进行单次快速抓拍（就像 FASTR1 一样）。但是，计算机会在读取之后、保存之前，将 8 帧快速图像进行平均处理。这实现了与慢速模式相同的降噪收益，同时避免了热量波动或奇怪的伪影。这就像是用智能手机快速拍下八张照片，然后让手机软件瞬间将它们融合为一张完美的、低噪声的图像。团队计划从第 6 周期开始，将 FASTGRPAVG8 模式应用于科学观测，并逐步淘汰存在问题的 SLOWR1 模式。

“抖动”安全网

使用 MIRI 进行拍摄时，最关键的部分之一是“目标获取”（TA）。在望远镜开始真正的科学观测之前，它必须找到目标恒星或星系的精确中心并锁定它。对于某些模式，目标必须位于一个极小的狭缝内（宽仅 0.5 角秒）或掩模上的特定位置。如果望远镜错过了这个位置，整个观测就会失败。

团队分析了数百次过去的尝试，发现虽然大多数是成功的，但约有 12% 的失败案例。许多失败是由用户错误引起的，例如选择了错误的亮度设置，但也有一些是由相机上的不可预测的“流氓”像素或来自宇宙射线的突然撞击造成的。想象一下你要在桌子上平衡一枚硬币；如果就在你放置硬币时，一粒微小的尘埃（坏像素）或一阵突如其来的阵风（宇宙射线）撞击了桌面，硬币可能会倒下。

为了解决这个问题，团队正在引入一种“抖动”（dithered）方法。望远镜不再只拍一张照片来寻找目标，而是会拍摄三张照片，并在每张照片之间轻微移动位置。如果第一张照片中出现了宇宙射线撞击传感器的情况，它在第二张或第三张照片中的位置就不会在同一个地方。当计算机组合这三张图像时，随机噪声和坏像素就会消失，留下清晰的目标图像。这就像拍摄一只移动的鸟并进行叠加处理：鸟始终在中心，而镜头上的随机尘埃则相互抵消。这种新方法预计将在 2026 年末或 2027 年初推出，这将使望远镜在寻找目标时更加可靠。

观测宇宙的新方式

最后，这篇论文强调了一些正在解锁的、使用该仪器的全新“模式”。其中一个主要的新增功能是“宽场无缝光谱”（WFSS）。此前，望远镜只有在通过特定的狭缝观察时，才能将单个天体的光分散成彩虹（光谱）。现在，通过 WFSS，望远量可以同时将大视野范围内的所有天体的光分散开来。这就像将一台单镜头相机变成了一个广角棱镜，可以同时捕捉整群恒星的彩虹。这种模式将从第 5 周期开始提供。

此外，团队正在测试在“时间序列观测”中使用窄狭缝的方法。此前，他们只使用宽阔的无缝模式来观察行星凌日（即行星经过恒星前方）现象，因为他们担心望远镜会发生漂移，从而在微小的狭缝中丢失目标。然而，新数据表明，望远镜极其稳定，在 24 小时内其偏移量仅为单个像素的 0.4%。这种稳定性意味着他们现在可以使用窄狭缝来观测，这能阻挡更多的背景噪声，从而获得关于这些凌日行星更清晰的数据。他们还在引入更小的子阵列（如 SUBSLIT），这允许更快地读取数据，对于捕捉这些行星事件中的快速变化至关重要。

总之，这篇论文是对持续改进的颂歌。MIRI 仪器本身已是一项工程奇迹，但通过修复嗡嗡声、优化读取过程以及增加目标获取的安全网，团队正在确保望远镜能够持续为人类提供最清晰、最可靠的中红外宇宙视图。这些不仅仅是微小的调整；这些是至关重要的升级，将确保詹姆斯·韦伯望远镜在未来的岁月里始终处于科学发现的最前沿。