يجري المهندسون عملية "قبول" أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة التابعة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا بعد مغادرته المملكة المتحدة.
يقوم فنيو الطيران في مختبر الدفع النفاث جوني ميلينديز (على اليمين) وجو مورا بفحص مبرد MIRI قبل شحنه إلى شركة نورثروب جرومان في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا. وهناك، يتم توصيل المبرد بجسم تلسكوب ويب.
يحتوي هذا الجزء من جهاز MIRI، الذي يظهر في مختبر Appleton في روثرفورد بالمملكة المتحدة، على أجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء. يقع المبرد البارد بعيدًا عن جهاز الكشف لأنه يعمل في درجة حرارة أعلى. يربط أنبوب يحمل الهيليوم البارد بين القسمين.
يقع MIRI (على اليسار) على عارضة توازن في شركة نورثروب جرومان في ريدوندو بيتش بينما يستعد المهندسون لاستخدام رافعة علوية لربطه بوحدة الأجهزة العلمية المتكاملة (ISIM). وحدة ISIM هي جوهر ويب، وهي تتكون من أربع أدوات علمية تحتوي على التلسكوب.
قبل أن تتمكن أداة MIRI - وهي واحدة من الأدوات العلمية الأربعة الموجودة على المرصد - من العمل، يجب تبريدها إلى أدنى درجة حرارة يمكن للمادة أن تصل إليها تقريبًا.
من المقرر إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا في 24 ديسمبر/كانون الأول، وهو أكبر مرصد فضائي في التاريخ، ولديه مهمة شاقة بنفس القدر: جمع الضوء تحت الأحمر من زوايا بعيدة في الكون، مما يسمح للعلماء باستكشاف بنية وأصول الكون. كوننا ومكاننا فيه.
تصدر العديد من الأجسام الكونية - بما في ذلك النجوم والكواكب والغاز والغبار الذي تشكله - ضوء الأشعة تحت الحمراء، والذي يُطلق عليه أحيانًا الإشعاع الحراري. ولكن هذا ينطبق أيضًا على معظم الأجسام الدافئة الأخرى، مثل المحامص والبشر والإلكترونيات. وهذا يعني أن أجهزة الأشعة تحت الحمراء الأربعة في ويب يمكنها اكتشاف ضوء الأشعة تحت الحمراء الخاص بها. ولتقليل هذه الانبعاثات، يجب أن يكون الجهاز باردًا جدًا - حوالي 40 كلفن، أو ناقص 388 درجة فهرنهايت (ناقص 233 درجة مئوية). ولكن لكي تعمل بشكل صحيح، يجب أن تصبح أجهزة الكشف داخل أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، أو MIRI، أكثر برودة: أقل من 7 كلفن (ناقص 448 درجة فهرنهايت، أو ناقص 266 درجة مئوية).
وهذا مجرد بضع درجات فوق الصفر المطلق (0 كلفن) - أبرد درجة حرارة ممكنة نظريًا، على الرغم من أنه من غير الممكن الوصول إليها فعليًا لأنها تمثل الغياب الكامل لأي حرارة. (ومع ذلك، فإن MIRI ليس أبرد أداة تصوير تعمل في الفضاء).
إن درجة الحرارة هي في الأساس مقياس لمدى سرعة حركة الذرات، وبالإضافة إلى اكتشاف ضوء الأشعة تحت الحمراء الخاص بها، يمكن تشغيل أجهزة كشف ويب من خلال اهتزازاتها الحرارية الخاصة. يكتشف MIRI الضوء في نطاق طاقة أقل من الأجهزة الثلاثة الأخرى. ونتيجة لذلك، تكون أجهزة الكشف الخاصة به أكثر حساسية للاهتزازات الحرارية. هذه الإشارات غير المرغوب فيها هي ما يسميه علماء الفلك "الضوضاء"، ويمكنها أن تطغى على الإشارات الخافتة التي يحاول ويب اكتشافها.
بعد الإطلاق، سوف ينشر ويب حاجبًا بحجم ملعب تنس يحمي MIRI والأجهزة الأخرى من حرارة الشمس، مما يسمح لها بالتبريد بشكل سلبي. وبدءًا من حوالي 77 يومًا بعد الإطلاق، سوف يستغرق مبرد MIRI 19 يومًا لخفض درجة حرارة أجهزة الكشف في الجهاز إلى أقل من 7 كلفن.
قال كونستانتين بينانين، خبير المبردات المبردة في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا: "من السهل نسبيًا تبريد الأشياء إلى تلك الدرجة على الأرض، غالبًا للتطبيقات العلمية أو الصناعية". وأضاف: "لكن هذه الأنظمة الأرضية ضخمة الحجم وغير فعالة في استخدام الطاقة. بالنسبة لمرصد فضائي، نحتاج إلى مبرد صغير الحجم، وموفر للطاقة، ويجب أن يكون موثوقًا للغاية لأننا لا نستطيع إصلاحه. هذه هي التحديات التي نواجهها. في هذا الصدد، أعتقد أن مبردات التبريد المبردة من MIRI هي بلا شك في طليعة هذه الحلول".
أحد الأهداف العلمية لتلسكوب ويب هو دراسة خصائص النجوم الأولى التي تشكلت في الكون. وسوف تكون كاميرا ويب القريبة من الأشعة تحت الحمراء أو أداة NIRCam قادرة على اكتشاف هذه الأجسام البعيدة للغاية، وسوف يساعد MIRI العلماء على التأكيد على أن هذه المصادر الخافتة للضوء هي مجموعات من النجوم من الجيل الأول، وليس نجوم الجيل الثاني التي تشكلت في وقت لاحق في تطور المجرة.
ومن خلال النظر إلى سحب الغبار الأكثر سمكا من أدوات الأشعة تحت الحمراء القريبة، سيتمكن MIRI من الكشف عن أماكن ولادة النجوم. كما سيتمكن من اكتشاف الجزيئات الموجودة عادة على الأرض - مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والميثان، وكذلك جزيئات المعادن الصخرية مثل السيليكات - في البيئات الباردة حول النجوم القريبة، حيث قد تتشكل الكواكب. وتتمتع أدوات الأشعة تحت الحمراء القريبة بقدرة أفضل على اكتشاف هذه الجزيئات على شكل أبخرة في البيئات الأكثر حرارة، في حين يمكن لـ MIRI رؤيتها على شكل جليد.
وقالت جيليان رايت، المشاركة في قيادة فريق العلوم في مشروع MIRI والباحثة الرئيسية الأوروبية للأداة في مركز التكنولوجيا الفلكية في المملكة المتحدة (UK ATC): "من خلال الجمع بين الخبرة الأمريكية والأوروبية، قمنا بتطوير MIRI باعتباره قوة ويب، والذي سيمكن علماء الفلك من جميع أنحاء العالم من الإجابة على أسئلة كبيرة حول كيفية تشكل النجوم والكواكب والمجرات وتطورها".
يستخدم مبرد MIRI غاز الهيليوم - ما يكفي لملء حوالي تسعة بالونات حفلات - لحمل الحرارة بعيدًا عن أجهزة الكشف الخاصة بالجهاز. يضخ ضاغطان كهربائيان الهيليوم عبر أنبوب يمتد إلى حيث يوجد الكاشف. يمر الأنبوب عبر كتلة من المعدن متصلة أيضًا بالكاشف؛ يمتص الهيليوم المبرد الحرارة الزائدة من الكتلة، مما يحافظ على درجة حرارة تشغيل الكاشف أقل من 7 كلفن. ثم يعود الغاز الساخن (ولكن لا يزال باردًا) إلى الضاغط، حيث يطرد الحرارة الزائدة، وتبدأ الدورة مرة أخرى. بشكل أساسي، يشبه النظام النظام المستخدم في الثلاجات المنزلية ومكيفات الهواء.
تتكون الأنابيب التي تحمل الهيليوم من الفولاذ المقاوم للصدأ المطلي بالذهب، ويبلغ قطرها أقل من عُشر البوصة (2.5 مم). وتمتد حوالي 30 قدمًا (10 أمتار) من الضاغط الموجود في منطقة حافلة المركبة الفضائية إلى كاشف MIRI في عنصر التلسكوب البصري الموجود خلف المرآة الأساسية على شكل قرص العسل للمرصد. ويربط بين المنطقتين جهاز يسمى مجموعة البرج القابلة للنشر، أو DTA. وعند تعبئتها للإطلاق، يتم ضغط DTA، مثل المكبس، للمساعدة في تثبيت المرصد المخزن في الحماية أعلى الصاروخ. وبمجرد وصوله إلى الفضاء، سيمتد البرج لفصل حافلة المركبة الفضائية بدرجة حرارة الغرفة عن أدوات التلسكوب البصري الأكثر برودة والسماح للمظلة والتلسكوب بالانتشار بالكامل.
يُظهر هذا الرسم المتحرك التنفيذ المثالي لنشر تلسكوب جيمس ويب الفضائي بعد ساعات وأيام من الإطلاق. سيعمل توسيع برج التجميع المركزي القابل للنشر على زيادة المسافة بين جزأين من MIRI. يتم توصيلهما بواسطة أنابيب حلزونية مع الهيليوم المبرد.
لكن عملية الاستطالة تتطلب تمديد أنبوب الهيليوم باستخدام مجموعة البرج القابلة للتمدد. وبالتالي فإن الأنبوب يدور مثل الزنبرك، وهذا هو السبب في أن مهندسي MIRI أطلقوا على هذا الجزء من الأنبوب اسم "Slinky".
قالت أنالين شنايدر، مديرة برنامج MIRI في مختبر الدفع النفاث: "هناك بعض التحديات في العمل على نظام يمتد عبر مناطق متعددة من المرصد. تُدار هذه المناطق المختلفة من قِبل منظمات أو مراكز مختلفة، بما في ذلك نورثروب غرومان ومركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا الأمريكية، وعلينا التواصل مع الجميع. لا توجد أجهزة أخرى على التلسكوب تحتاج إلى القيام بذلك، لذا فهو تحدٍّ فريد من نوعه بالنسبة لـ MIRI. لقد كان الطريق طويلًا جدًا للوصول إلى مبردات MIRI، ونحن مستعدون لرؤيتها في الفضاء."
من المقرر إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عام 2021 باعتباره المرصد العلمي الفضائي الأول في العالم. سيكشف ويب أسرار نظامنا الشمسي، وينظر إلى عوالم بعيدة حول نجوم أخرى، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا. ويب هي مبادرة دولية تقودها وكالة ناسا وشركاؤها وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية.
تم تطوير MIRI من خلال شراكة 50-50 بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية. يقود مختبر الدفع النفاث الجهود الأمريكية من أجل MIRI، كما يساهم اتحاد متعدد الجنسيات من المعاهد الفلكية الأوروبية في وكالة الفضاء الأوروبية. جورج ريكي من جامعة أريزونا هو قائد الفريق العلمي الأمريكي لـ MIRI. جيليان رايت هي رئيس الفريق العلمي الأوروبي لـ MIRI.
أليستير جلاس من ATC، المملكة المتحدة هو عالم أجهزة في معهد أبحاث الفيزياء النووية (MIRI)، ومايكل ريسلر هو عالم مشروع أمريكي في مختبر الدفع النفاث (JPL). يدير لاسلو تاماس من ATC في المملكة المتحدة الاتحاد الأوروبي. وقد تم تطوير مبرد MIRI وإدارته بواسطة مختبر الدفع النفاث بالتعاون مع مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند، وشركة نورثروب جرومان في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا.