يقوم المهندسون بإجراء "استلام" لجهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الخاص بتلسكوب جيمس ويب الفضائي في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا 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 غرومان في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا. هناك، يتم تثبيت المبرد على جسم تلسكوب ويب.
يحتوي هذا الجزء من جهاز MIRI، الذي يُشاهد في مختبر أبلتون في روثرفورد بالمملكة المتحدة، على كواشف الأشعة تحت الحمراء. ويقع المبرد فائق البرودة بعيدًا عن الكاشف لأنه يعمل عند درجة حرارة أعلى. ويربط أنبوب يحمل الهيليوم البارد بين الجزأين.
يستقر جهاز MIRI (على اليسار) على عارضة توازن في شركة نورثروب غرومان في ريدوندو بيتش بينما يستعد المهندسون لاستخدام رافعة علوية لربطه بوحدة الأدوات العلمية المتكاملة (ISIM). وحدة ISIM هي جوهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وهي عبارة عن أربعة أدوات علمية تحتوي على التلسكوب.
قبل أن يتمكن جهاز MIRI - وهو أحد الأجهزة العلمية الأربعة الموجودة في المرصد - من العمل، يجب تبريده إلى أدنى درجة حرارة يمكن أن تصل إليها المادة تقريبًا.
يُعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا، والمقرر إطلاقه في 24 ديسمبر، أكبر مرصد فضائي في التاريخ، ويواجه مهمة بالغة الصعوبة: جمع الأشعة تحت الحمراء من أقصى زوايا الكون، مما يسمح للعلماء باستكشاف بنية الكون وأصوله، ومكاننا فيه.
تُصدر العديد من الأجرام الكونية، بما في ذلك النجوم والكواكب، والغاز والغبار الذي تتكون منه، ضوءًا تحت أحمر، يُسمى أحيانًا الإشعاع الحراري. لكن معظم الأجسام الدافئة الأخرى، مثل المحامص والبشر والأجهزة الإلكترونية، تُصدر ضوءًا تحت أحمر أيضًا. هذا يعني أن أجهزة الأشعة تحت الحمراء الأربعة في تلسكوب جيمس ويب قادرة على رصد أشعتها تحت الحمراء. ولتقليل هذه الانبعاثات، يجب أن يكون الجهاز باردًا جدًا، حوالي 40 كلفن، أو -388 درجة فهرنهايت (-233 درجة مئوية). ولكن لكي تعمل أجهزة الكشف داخل جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) بشكل صحيح، يجب أن تنخفض درجة حرارتها إلى أقل من 7 كلفن (-448 درجة فهرنهايت، أو -266 درجة مئوية).
هذا أعلى ببضع درجات فقط من الصفر المطلق (0 كلفن) - وهي أبرد درجة حرارة ممكنة نظريًا، على الرغم من أنها لا يمكن الوصول إليها فعليًا لأنها تمثل الغياب التام لأي حرارة. (ومع ذلك، فإن جهاز MIRI ليس أبرد أداة تصوير تعمل في الفضاء.)
تُعدّ درجة الحرارة في جوهرها مقياسًا لسرعة حركة الذرات، وبالإضافة إلى رصدها للأشعة تحت الحمراء، يمكن أن تُفعّل كواشف تلسكوب جيمس ويب بواسطة اهتزازاتها الحرارية. يرصد جهاز MIRI الضوء في نطاق طاقة أقل من الأجهزة الثلاثة الأخرى، ولذلك فإن كواشفه أكثر حساسية للاهتزازات الحرارية. تُعرف هذه الإشارات غير المرغوب فيها بين علماء الفلك باسم "الضوضاء"، ويمكنها أن تُطغى على الإشارات الخافتة التي يحاول تلسكوب جيمس ويب رصدها.
بعد الإطلاق، سيقوم تلسكوب جيمس ويب بنشر حاجب بحجم ملعب تنس يحمي جهاز MIRI والأجهزة الأخرى من حرارة الشمس، مما يسمح لها بالتبريد بشكل سلبي. بدءًا من حوالي 77 يومًا بعد الإطلاق، سيستغرق مبرد MIRI 19 يومًا لخفض درجة حرارة أجهزة الكشف الخاصة بالجهاز إلى أقل من 7 كلفن.
قال كونستانتين بينانين، خبير أنظمة التبريد المبردة في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا، والذي يدير جهاز MIRI لصالح ناسا: "من السهل نسبيًا تبريد الأشياء إلى هذه الدرجة على الأرض، غالبًا لأغراض علمية أو صناعية. لكن هذه الأنظمة الأرضية ضخمة جدًا وتستهلك الكثير من الطاقة. بالنسبة لمرصد فضائي، نحتاج إلى نظام تبريد صغير الحجم، موفر للطاقة، ويجب أن يكون عالي الموثوقية لأننا لا نستطيع إصلاحه بأنفسنا. هذه هي التحديات التي نواجهها. وفي هذا الصدد، أقول إن أنظمة التبريد المبردة لجهاز MIRI في طليعة هذا المجال بلا شك."
يتمثل أحد الأهداف العلمية لتلسكوب جيمس ويب في دراسة خصائص النجوم الأولى التي تشكلت في الكون. ستتمكن كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة الخاصة بتلسكوب ويب، أو جهاز NIRCam، من اكتشاف هذه الأجسام البعيدة للغاية، وسيساعد جهاز MIRI العلماء على تأكيد أن هذه المصادر الخافتة للضوء هي تجمعات من نجوم الجيل الأول، وليست نجوم الجيل الثاني التي تشكلت لاحقًا في تطور المجرة.
من خلال رصد سحب الغبار الأكثر كثافةً التي لا تستطيع أجهزة الأشعة تحت الحمراء القريبة رصدها، سيكشف جهاز MIRI عن مواقع نشأة النجوم. كما سيرصد جزيئات شائعة الوجود على الأرض، مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والميثان، بالإضافة إلى جزيئات المعادن الصخرية كالسيليكات، في البيئات الباردة المحيطة بالنجوم القريبة، حيث قد تتشكل الكواكب. تتميز أجهزة الأشعة تحت الحمراء القريبة بقدرتها الأفضل على رصد هذه الجزيئات على شكل أبخرة في البيئات الأكثر حرارة، بينما يستطيع جهاز MIRI رصدها على شكل جليد.
"من خلال الجمع بين الخبرات الأمريكية والأوروبية، قمنا بتطوير MIRI كقوة لتلسكوب ويب، مما سيمكن علماء الفلك من جميع أنحاء العالم من الإجابة على أسئلة كبيرة حول كيفية تشكل النجوم والكواكب والمجرات وتطورها"، قالت جيليان رايت، الرئيسة المشاركة للفريق العلمي لـ MIRI والباحثة الرئيسية الأوروبية للجهاز في مركز التكنولوجيا الفلكية في المملكة المتحدة (UK ATC).
يستخدم مبرد MIRI غاز الهيليوم - بكمية تكفي لملء حوالي تسعة بالونات حفلات - لنقل الحرارة بعيدًا عن كواشف الجهاز. يقوم ضاغطان كهربائيان بضخ الهيليوم عبر أنبوب يمتد إلى مكان الكاشف. يمر الأنبوب عبر كتلة معدنية 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 (ولكنه لا يزال باردًا) إلى الضاغط، حيث يطرد الحرارة الزائدة، وتبدأ الدورة من جديد. في الأساس، يشبه النظام ذلك المستخدم في الثلاجات المنزلية ومكيفات الهواء.
الأنابيب التي تحمل الهيليوم مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المطلي بالذهب، ويبلغ قطرها أقل من 2.5 ملم. تمتد هذه الأنابيب لمسافة 10 أمتار تقريبًا من الضاغط الموجود في هيكل المركبة الفضائية إلى كاشف MIRI في عنصر التلسكوب البصري الموجود خلف المرآة الرئيسية ذات الشكل السداسي للمرصد. تربط بين المنطقتين وحدة تُسمى مجموعة البرج القابل للنشر (DTA). عند تجهيز المرصد للإطلاق، تُضغط هذه المجموعة، كما لو كانت مكبسًا، للمساعدة في تثبيت المرصد المطوي داخل غلاف الحماية أعلى الصاروخ. بمجرد وصول المرصد إلى الفضاء، يمتد البرج لفصل هيكل المركبة الفضائية، الذي يعمل بدرجة حرارة الغرفة، عن أجهزة التلسكوب البصري الأكثر برودة، مما يسمح بنشر واقي الشمس والتلسكوب بالكامل.
يُظهر هذا الرسم المتحرك التنفيذ الأمثل لعملية نشر تلسكوب جيمس ويب الفضائي بعد ساعات وأيام من الإطلاق. سيؤدي توسيع مجموعة البرج المركزي القابل للنشر إلى زيادة المسافة بين جزئي جهاز MIRI. وهما متصلان بأنابيب حلزونية مملوءة بالهيليوم المبرد.
لكن عملية الإطالة تتطلب تمديد أنبوب الهيليوم باستخدام مجموعة البرج القابلة للتمدد. لذلك يلتف الأنبوب مثل الزنبرك، ولهذا السبب أطلق مهندسو MIRI 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. هذه المناطق المختلفة تُدار من قِبل منظمات أو مراكز مختلفة، بما في ذلك نورثروب غرومان ومركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا الأمريكية، وعلينا التواصل مع الجميع. لا توجد أي أجهزة أخرى على التلسكوب تتطلب ذلك، لذا فهو تحدٍّ فريد من نوعه خاص بـ MIRI. لقد كان الطريق طويلاً أمام مُبرّدات MIRI، ونحن على أتمّ الاستعداد لرؤيتها في الفضاء."
سيتم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في عام 2021 ليكون المرصد العلمي الفضائي الأبرز في العالم. سيكشف ويب أسرار نظامنا الشمسي، وينظر إلى عوالم بعيدة تدور حول نجوم أخرى، ويستكشف البنى الغامضة وأصول كوننا ومكاننا فيه. ويب مبادرة دولية تقودها وكالة ناسا وشركاؤها وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية.
تم تطوير جهاز MIRI من خلال شراكة مناصفة بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA). يقود مختبر الدفع النفاث (JPL) الجهود الأمريكية لتطوير MIRI، بينما يساهم اتحاد دولي من المعاهد الفلكية الأوروبية في جهود وكالة الفضاء الأوروبية. جورج ريكي من جامعة أريزونا هو قائد الفريق العلمي الأمريكي لـ MIRI، وجيليان رايت هي رئيسة الفريق العلمي الأوروبي لـ MIRI.
أليستير غلاس من مركز التكنولوجيا المتقدمة (ATC) في المملكة المتحدة هو عالم أجهزة MIRI، ومايكل ريسلر هو عالم المشروع الأمريكي في مختبر الدفع النفاث (JPL). لازلو تاماس من مركز التكنولوجيا المتقدمة (ATC) في المملكة المتحدة مسؤول عن الاتحاد الأوروبي. قاد مختبر الدفع النفاث (JPL) عملية تطوير مبرد MIRI وأدارها بالتعاون مع مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في غرينبيلت، ميريلاند، وشركة نورثروب غرومان في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا.