Ingenieurs voer 'n "aanvaarding" uit van die James Webb-ruimteteleskoop se middel-infrarooi instrument by NASA se Goddard-ruimtevlugsentrum nadat dit uit die VK vertrek het.
JPL-vlugtegnici Johnny Melendez (regs) en Joe Mora inspekteer die MIRI-kriokoeler voordat hulle dit na Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornië, verskeep. Daar is die koeler aan die Webb-teleskoop se romp geheg.
Hierdie deel van die MIRI-instrument, gesien by die Appleton-laboratorium in Rutherford, VK, bevat infrarooi-detektors. Die kriokoeler is weg van die detektor geleë omdat dit teen 'n hoër temperatuur werk. 'n Buis wat koue helium dra, verbind die twee dele.
MIRI (links) sit op 'n balansbalk by Northrop Grumman in Redondo Beach terwyl ingenieurs voorberei om 'n oorhoofse kraan te gebruik om dit aan die Geïntegreerde Wetenskaplike Instrumentmodule (ISIM) te heg. Die ISIM is Webb se kern, die vier wetenskaplike instrumente wat die teleskoop huisves.
Voordat die MIRI-instrument – ​​een van die vier wetenskapinstrumente op die sterrewag – kan werk, moet dit afgekoel word tot byna die koudste temperatuur wat materie kan bereik.
NASA se James Webb-ruimteteleskoop, wat op 24 Desember gelanseer sal word, is die grootste ruimte-observatorium in die geskiedenis, en dit het 'n ewe uitdagende taak: om infrarooi lig van verafgeleë hoeke van die heelal te versamel, wat wetenskaplikes in staat stel om die struktuur en oorsprong van die heelal te ondersoek. Ons heelal en ons plek daarin.
Baie kosmiese voorwerpe – insluitend sterre en planete, en die gas en stof waaruit hulle vorm – straal infrarooi lig uit, soms termiese straling genoem. Maar so ook die meeste ander warm voorwerpe, soos broodroosters, mense en elektronika. Dit beteken Webb se vier infrarooi instrumente kan hul eie infrarooi lig opspoor. Om hierdie emissies te verminder, moet die instrument baie koud wees – ongeveer 40 Kelvin, of minus 388 grade Fahrenheit (minus 233 grade Celsius). Maar om behoorlik te funksioneer, moet die detektors binne die middel-infrarooi instrument, of MIRI, kouer word: onder 7 Kelvin (minus 448 grade Fahrenheit, of minus 266 grade Celsius).
Dis net 'n paar grade bo absolute nul (0 Kelvin) – die koudste temperatuur teoreties moontlik, hoewel dit nooit fisies bereikbaar is nie, want dit verteenwoordig die algehele afwesigheid van enige hitte. (MIRI is egter nie die koudste beeldinstrument wat in die ruimte werk nie.)
Temperatuur is in wese 'n maatstaf van hoe vinnig atome beweeg, en benewens die opsporing van hul eie infrarooi lig, kan Webb-detektors deur hul eie termiese vibrasies geaktiveer word. MIRI bespeur lig in 'n laer energiebereik as die ander drie instrumente. Gevolglik is die detektors meer sensitief vir termiese vibrasies. Hierdie ongewenste seine is wat sterrekundiges "geraas" noem, en hulle kan die dowwe seine wat Webb probeer opspoor, oorweldig.
Na die lansering sal Webb 'n tennisbaan-grootte visier ontplooi wat MIRI en ander instrumente teen die son se hitte beskerm, sodat hulle passief kan afkoel. Vanaf ongeveer 77 dae na die lansering sal MIRI se kriokoeler 19 dae neem om die temperatuur van die instrument se detektors tot onder 7 Kelvin te verlaag.
“Dit is relatief maklik om dinge op Aarde tot daardie temperatuur af te koel, dikwels vir wetenskaplike of industriële toepassings,” het Konstantin Penanen, 'n kriokoeler-kenner by NASA se Jet Propulsion Laboratory in Suid-Kalifornië, wat die MIRI-instrument vir NASA bestuur, gesê. “Maar daardie Aarde-gebaseerde stelsels is baie lywig en energie-ondoeltreffend. Vir 'n ruimte-observatorium benodig ons 'n verkoeler wat fisies kompak en energie-doeltreffend is, en dit moet hoogs betroubaar wees, want ons kan nie uitgaan en dit herstel nie. Dit is dus die uitdagings waarmee ons te kampe het. In daardie opsig sou ek sê MIRI-kriokoelers is beslis voorop.”
Een van Webb se wetenskaplike doelwitte is om die eienskappe van die eerste sterre wat in die heelal gevorm het, te bestudeer. Webb se nabye-infrarooi kamera of NIRCam-instrument sal hierdie uiters verafgeleë voorwerpe kan opspoor, en MIRI sal wetenskaplikes help om te bevestig dat hierdie dowwe ligbronne trosse van eerstegenerasie-sterre is, eerder as tweedegenerasie-sterre wat later in 'n sterrestelsel-evolusie gevorm het.
Deur na stofwolke te kyk wat dikker is as nabye-infrarooi instrumente, sal MIRI die geboorteplekke van sterre openbaar. Dit sal ook molekules wat algemeen op Aarde voorkom – soos water, koolstofdioksied en metaan, sowel as molekules van rotsagtige minerale soos silikate – in die koel omgewings rondom nabygeleë sterre opspoor, waar planete kan vorm. Nabye-infrarooi instrumente is beter om hierdie molekules as dampe in warmer omgewings op te spoor, terwyl MIRI hulle as ys kan sien.
“Deur Amerikaanse en Europese kundigheid te kombineer, het ons MIRI ontwikkel as die krag van Webb, wat sterrekundiges van regoor die wêreld in staat sal stel om groot vrae te beantwoord oor hoe sterre, planete en sterrestelsels vorm en ontwikkel,” het Gillian Wright, medeleier van die MIRI-wetenskapspan en Europese hoofnavorser vir die instrument by die Britse Astronomiese Tegnologiesentrum (UK ATC), gesê.
Die MIRI-kriokoeler gebruik heliumgas – genoeg om ongeveer nege partytjieballonne te vul – om hitte weg te dra van die instrument se detektors. Twee elektriese kompressors pomp helium deur 'n buis wat strek tot waar die detektor geleë is. Die buis loop deur 'n blok metaal wat ook aan die detektor geheg is; die afgekoelde helium absorbeer oortollige hitte van die blok, wat die detektor se bedryfstemperatuur onder 7 Kelvin hou. Die verhitte (maar steeds koue) gas keer dan terug na die kompressor, waar dit die oortollige hitte verdryf, en die siklus begin weer. Fundamenteel is die stelsel soortgelyk aan dié wat in huishoudelike yskaste en lugversorgers gebruik word.
Die pype wat helium dra, is van vergulde vlekvrye staal gemaak en is minder as een tiende van 'n duim (2.5 mm) in deursnee. Dit strek ongeveer 30 voet (10 meter) vanaf die kompressor wat in die ruimtetuigbusarea geleë is tot by die MIRI-detektor in die optiese teleskoopelement wat agter die sterrewag se heuningkoek-primêre spieël geleë is. Hardeware genaamd 'n ontplooibare toringsamestelling, of DTA, verbind die twee areas. Wanneer dit vir lansering verpak word, word die DTA saamgepers, 'n bietjie soos 'n suier, om te help om die opgebergde sterrewag in die beskerming bo-op die vuurpyl te installeer. Sodra dit in die ruimte is, sal die toring uitbrei om die kamertemperatuur-ruimtetuigbus van die koeler optiese teleskoopinstrumente te skei en die sonskerm en teleskoop toe te laat om ten volle te ontplooi.
Hierdie animasie wys die ideale uitvoering van die ontplooiing van die James Webb-ruimteteleskoop ure en dae na lansering. Die uitbreiding van die sentrale ontplooibare toringsamestelling sal die afstand tussen die twee dele van die MIRI vergroot. Hulle word verbind deur heliese buise met verkoelde helium.
Maar die verlengingsproses vereis dat die heliumbuis met die uitbreibare toringsamestelling verleng word. Die buis kronkel dus soos 'n veer, en daarom het MIRI-ingenieurs hierdie deel van die buis die bynaam "Slinky" gegee.
“Daar is ’n paar uitdagings om aan ’n stelsel te werk wat oor verskeie streke van die sterrewag strek,” het Analyn Schneider, JPL MIRI-programbestuurder, gesê. “Hierdie verskillende streke word gelei deur verskillende organisasies of sentrums, insluitend Northrop Grumman en die Amerikaanse NASA se Goddard Space Flight Center, ons moet met almal praat. Daar is geen ander hardeware op die teleskoop wat dit hoef te doen nie, so dit is ’n uitdaging uniek aan MIRI. Dit was beslis ’n lang wagtyd vir MIRI se kriokoelers, en ons is gereed om dit in die ruimte te sien.”
Die James Webb-ruimteteleskoop sal in 2021 gelanseer word as die wêreld se voorste ruimtewetenskap-observatorium. Webb sal die geheime van ons sonnestelsel ontrafel, na verre wêrelde rondom ander sterre kyk, en die geheimsinnige strukture en oorsprong van ons heelal en ons plek verken. Webb is 'n internasionale inisiatief gelei deur NASA en sy vennote ESA (Europese Ruimteagentskap) en die Kanadese Ruimteagentskap.
MIRI is ontwikkel deur 'n 50-50 vennootskap tussen NASA en ESA (Europese Ruimteagentskap). JPL lei die Amerikaanse poging vir MIRI, en 'n multinasionale konsortium van Europese sterrekundige institute dra by tot ESA. George Rieke van die Universiteit van Arizona is MIRI se Amerikaanse wetenskapspanleier. Gillian Wright is die hoof van MIRI se Europese wetenskaplike span.
Alistair Glasse van ATC, VK, is MIRI-instrumentwetenskaplike en Michael Ressler is Amerikaanse projekwetenskaplike by JPL. Laszlo Tamas van die VK ATC is in beheer van die Europese Unie. Die ontwikkeling van die MIRI-kriokoeler is gelei en bestuur deur JPL in samewerking met NASA se Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornië.