Інжынеры праводзяць «прыёмку» інструмента сярэдняга інфрачырвонага дыяпазону касмічнага тэлескопа імя Джэймса Уэба ў Цэнтры касмічных палётаў імя Годдарда НАСА пасля вылету з Вялікабрытаніі.
Борттэхнікі JPL Джоні Мелендэс (справа) і Джо Мора аглядаюць крыяахаладжальнік MIRI перад адпраўкай у Northrop Grumman у Рэдонда-Біч, штат Каліфорнія. Там ахаладжальнік мацуецца да корпуса тэлескопа Webb.
Гэтая частка прыбора MIRI, якую можна ўбачыць у лабараторыі Appleton у Рэзерфордзе, Вялікабрытанія, змяшчае інфрачырвоныя дэтэктары. Крыяахаладжальнік размешчаны далей ад дэтэктара, бо ён працуе пры больш высокай тэмпературы. Трубка, якая пераносіць халодны гелій, злучае дзве секцыі.
MIRI (злева) стаіць на бэльцы балансавання ў Northrop Grumman у Рэдонда-Біч, пакуль інжынеры рыхтуюцца выкарыстаць маставы кран, каб прымацаваць яго да інтэграванага навуковага прыборнага модуля (ISIM). ISIM — гэта асноўны элемент Webb, чатыры навуковыя прыборы, на якіх размешчаны тэлескоп.
Перш чым прыбор MIRI — адзін з чатырох навуковых прыбораў абсерваторыі — зможа працаваць, яго трэба астудзіць амаль да самай нізкай тэмпературы, якой можа дасягнуць матэрыя.
Касмічны тэлескоп імя Джэймса Уэба НАСА, запуск якога запланаваны на 24 снежня, з'яўляецца найбуйнейшай касмічнай абсерваторыяй у гісторыі, і перад ёй стаіць не менш складаная задача: збіраць інфрачырвонае святло з аддаленых куткоў Сусвету, што дазволіць навукоўцам даследаваць структуру і паходжанне Сусвету. Нашага Сусвету і нашага месца ў ім.
Многія касмічныя аб'екты, у тым ліку зоркі і планеты, а таксама газ і пыл, з якіх яны ўтвараюцца, выпраменьваюць інфрачырвонае святло, якое часам называюць цеплавым выпраменьваннем. Але тое ж самае можна сказаць і пра большасць іншых цёплых аб'ектаў, такіх як тостэры, людзі і электроніка. Гэта азначае, што чатыры інфрачырвоныя прыборы Уэба могуць выяўляць уласнае інфрачырвонае святло. Каб паменшыць гэтыя выпраменьванні, прыбор павінен быць вельмі халодным — каля 40 Кельвінаў, або мінус 388 градусаў па Фарэнгейту (мінус 233 градусы Цэльсія). Але каб належным чынам функцыянаваць, дэтэктары ўнутры прыбора сярэдняга інфрачырвонага дыяпазону, або MIRI, павінны астыць: ніжэй за 7 Кельвінаў (мінус 448 градусаў па Фарэнгейту, або мінус 266 градусаў Цэльсія).
Гэта ўсяго на некалькі градусаў вышэй за абсалютны нуль (0 Кельвінаў) — самая нізкая тэмпература, тэарэтычна магчымая, хоць фізічна яна ніколі не дасягальная, бо ўяўляе сабой поўную адсутнасць якога-небудзь цяпла. (Аднак MIRI — не самы халодны прыбор візуалізацыі, які працуе ў космасе.)
Тэмпература, па сутнасці, з'яўляецца мерай хуткасці руху атамаў, і акрамя выяўлення ўласнага інфрачырвонага святла, дэтэктары Webb могуць спрацоўваць пад уздзеяннем уласных цеплавых ваганняў. MIRI выяўляе святло ў больш нізкім энергетычным дыяпазоне, чым тры іншыя прыборы. У выніку яго дэтэктары больш адчувальныя да цеплавых ваганняў. Гэтыя непажаданыя сігналы астраномы называюць «шумам», і яны могуць пераглушыць слабыя сігналы, якія спрабуе выявіць Webb.
Пасля запуску на Webb будзе ўсталяваны казырок памерам з тэнісны корт, які абароніць MIRI і іншыя прыборы ад сонечнага цяпла, дазваляючы ім пасіўна астуджацца. Прыкладна праз 77 дзён пасля запуску крыяахаладжальнік MIRI будзе 19 дзён зніжаць тэмпературу дэтэктараў прыбора ніжэй за 7 Кельвінаў.
«На Зямлі адносна лёгка астудзіць рэчы да такой тэмпературы, часта для навуковых або прамысловых мэтаў», — сказаў Канстанцін Пенанен, эксперт па крыяахаладжальніках з Лабараторыі рэактыўнага руху НАСА ў Паўднёвай Каліфорніі, якая кіруе прыборам MIRI для НАСА. «Але гэтыя наземныя сістэмы вельмі грувасткія і энергаэфектыўныя. Для касмічнай абсерваторыі нам патрэбен халадзільнік, які будзе фізічна кампактным, энергаэфектыўным і вельмі надзейным, таму што мы не можам выйсці і адрамантаваць яго. Такім чынам, гэта тыя праблемы, з якімі мы сутыкаемся. У гэтым плане я б сказаў, што крыяахаладжальнікі MIRI, безумоўна, знаходзяцца на пярэднім краі».
Адной з навуковых мэтаў Уэба з'яўляецца вывучэнне ўласцівасцей першых зорак, якія ўтварыліся ў Сусвеце. Камера блізкага інфрачырвонага дыяпазону Уэба, або прыбор NIRCam, зможа выяўляць гэтыя надзвычай аддаленыя аб'екты, і MIRI дапаможа навукоўцам пацвердзіць, што гэтыя слабыя крыніцы святла з'яўляюцца скопішчамі зорак першага пакалення, а не зорак другога пакалення, якія ўтварыліся пазней у працэсе эвалюцыі галактыкі.
Разглядаючы пылавыя аблокі, якія гусцейшыя за тыя, што выкарыстоўваюцца прыборамі блізкага інфрачырвонага дыяпазону, MIRI дазволіць выявіць месцы нараджэння зорак. Ён таксама дазволіць выявіць малекулы, якія звычайна сустракаюцца на Зямлі, — такія як вада, вуглякіслы газ і метан, а таксама малекулы скалістых мінералаў, такіх як сілікаты, — у халодных асяроддзях вакол блізкіх зорак, дзе могуць утварацца планеты. Прыборы блізкага інфрачырвонага дыяпазону лепш выяўляюць гэтыя малекулы ў выглядзе пары ў больш гарачых асяроддзях, у той час як MIRI можа бачыць іх як лёд.
«Аб'яднаўшы амерыканскі і еўрапейскі вопыт, мы распрацавалі MIRI як магутнасць Вэба, што дазволіць астраномам з усяго свету адказаць на важныя пытанні аб тым, як утвараюцца і развіваюцца зоркі, планеты і галактыкі», — сказала Джыліян Райт, сукіраўнік навуковай групы MIRI і галоўны еўрапейскі даследчык прыбора ў Брытанскім цэнтры астранамічных тэхналогій (UK ATC).
Крыяахаладжальнік MIRI выкарыстоўвае газападобны гелій — колькасці, дастатковай для напаўнення прыкладна дзевяці паветраных шарыкаў — для адвядзення цяпла ад дэтэктараў прыбора. Два электрычныя кампрэсары перапампоўваюць гелій праз трубку, якая праходзіць да месца размяшчэння дэтэктара. Трубка праходзіць праз металічны блок, які таксама прымацаваны да дэтэктара; астуджаны гелій паглынае лішняе цяпло з блока, падтрымліваючы рабочую тэмпературу дэтэктара ніжэй за 7 Кельвінаў. Нагрэты (але ўсё яшчэ халодны) газ затым вяртаецца ў кампрэсар, дзе ён вылучае лішняе цяпло, і цыкл пачынаецца спачатку. Па сутнасці, сістэма падобная да той, што выкарыстоўваецца ў бытавых халадзільніках і кандыцыянерах.
Трубы, якія пераносяць гелій, выраблены з пазалочанай нержавеючай сталі і маюць дыяметр менш за адну дзесятую цалі (2,5 мм). Яны распасціраюцца прыкладна на 10 метраў (30 футаў) ад кампрэсара, размешчанага ў зоне касмічнага апарата, да дэтэктара MIRI ў аптычным тэлескопе, размешчаным за сотападобным галоўным люстэркам абсерваторыі. Апаратнае забеспячэнне, якое называецца разгортваемай вежавай зборкай, або DTA, злучае дзве зоны. Пры ўпакоўцы для запуску DTA сціскаецца, падобна поршню, каб дапамагчы ўсталяваць складную абсерваторыю ў абарону на верхняй частцы ракеты. Пасля таго, як вежа апынецца ў космасе, яна высунецца, каб аддзяліць касмічны апарат з пакаёвай тэмпературай ад больш халодных аптычных тэлескопных прыбораў і дазволіць сонечнаму казырку і тэлескопу цалкам разгарнуцца.
Гэтая анімацыя паказвае ідэальнае выкананне разгортвання касмічнага тэлескопа Джэймса Уэба праз некалькі гадзін і дзён пасля запуску. Пашырэнне цэнтральнай разгортваемай вежы павялічыць адлегласць паміж дзвюма часткамі MIRI. Яны злучаны спіральнымі трубкамі з астуджаным геліем.
Але працэс падаўжэння патрабуе падаўжэння геліевай трубкі з дапамогай пашыральнай вежы. Такім чынам, трубка скручваецца як спружына, таму інжынеры MIRI празвалі гэтую частку трубкі «Слінкі».
«Ёсць некаторыя праблемы ў працы над сістэмай, якая ахоплівае некалькі рэгіёнаў абсерваторыі», — сказала Аналін Шнайдэр, кіраўнік праграмы JPL MIRI. «Гэтыя розныя рэгіёны кіруюцца рознымі арганізацыямі або цэнтрамі, у тым ліку Northrop Grumman і Цэнтр касмічных палётаў імя Годарда НАСА, і нам трэба мець зносіны з усімі. На тэлескопе няма іншага абсталявання, якое павінна гэта рабіць, таму гэта ўнікальная для MIRI задача. Да крыяахаладжальнікаў MIRI, безумоўна, дайшло шмат часу, і мы гатовыя ўбачыць яго ў космасе».
Касмічны тэлескоп імя Джэймса Уэба будзе запушчаны ў 2021 годзе і стане галоўнай у свеце абсерваторыяй касмічных навук. «Уэб» будзе раскрываць таямніцы нашай Сонечнай сістэмы, глядзець на далёкія светы вакол іншых зорак і даследаваць таямнічыя структуры і паходжанне нашага Сусвету і нашага месца. «Уэб» — гэта міжнародная ініцыятыва, якую ўзначальваюць НАСА і яе партнёры ESA (Еўрапейскае касмічнае агенцтва) і Канадскае касмічнае агенцтва.
MIRI быў распрацаваны ў рамках партнёрства 50 на 50 паміж NASA і ESA (Еўрапейскім касмічным агенцтвам). JPL узначальвае намаганні ЗША па MIRI, а шматнацыянальны кансорцыум еўрапейскіх астранамічных інстытутаў уносіць свой уклад у ESA. Джордж Рыке з Універсітэта Арызоны з'яўляецца кіраўніком навуковай групы MIRI ў ЗША. Джыліян Райт з'яўляецца кіраўніком еўрапейскай навуковай групы MIRI.
Алістэр Глас з ATC, Вялікабрытанія — навуковец па прыборах MIRI, а Майкл Рэслер — навуковец праекта ў ЗША ў JPL. Ласла Тамас з ATC Вялікабрытаніі адказвае за Еўрапейскі Саюз. Распрацоўкай крыяахаладжальніка MIRI кіравала JPL у супрацоўніцтве з Цэнтрам касмічных палётаў імя Годдарда НАСА ў Грынбелце, штат Мэрыленд, і Northrop Grumman у Рэдонда-Біч, штат Каліфорнія.