Инженери провеждат „приемане“ на инструмента в средния инфрачервен спектър на космическия телескоп „Джеймс Уеб“ в Центъра за космически полети „Годард“ на НАСА след отпътуване от Обединеното кралство.
Джони Мелендес (вдясно) и Джо Мора, бордни техници на JPL, проверяват криоохладителя MIRI, преди да го изпратят до Northrop Grumman в Редондо Бийч, Калифорния. Там охладителят е прикрепен към тялото на телескопа Webb.
Тази част от инструмента MIRI, видяна в лабораторията Appleton в Ръдърфорд, Великобритания, съдържа инфрачервени детектори. Криогенният охладител е разположен далеч от детектора, защото работи при по-висока температура. Тръба, носеща студен хелий, свързва двете секции.
MIRI (вляво) е поставен върху балансираща греда в Northrop Grumman в Редондо Бийч, докато инженерите се готвят да използват мостов кран, за да го прикрепят към Интегрирания научен инструментален модул (ISIM). ISIM е ядрото на Webb, четирите научни инструмента, които помещават телескопа.
Преди инструментът MIRI - един от четирите научни инструмента в обсерваторията - да може да работи, той трябва да бъде охладен до почти най-ниската температура, която материята може да достигне.
Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ на НАСА, чието изстрелване е планирано за 24 декември, е най-голямата космическа обсерватория в историята и има също толкова трудна задача: да събира инфрачервена светлина от отдалечени кътчета на Вселената, което ще позволи на учените да изследват структурата и произхода на Вселената. Нашата Вселена и нашето място в нея.
Много космически обекти – включително звезди и планети, както и газът и прахът, от които се образуват – излъчват инфрачервена светлина, понякога наричана топлинна радиация. Но това важи и за повечето други топли обекти, като тостери, хора и електроника. Това означава, че четирите инфрачервени инструмента на Webb могат да откриват собствена инфрачервена светлина. За да се намалят тези емисии, инструментът трябва да е много студен – около 40 Келвина или минус 388 градуса по Фаренхайт (минус 233 градуса по Целзий). Но за да функционират правилно, детекторите вътре в инструмента в средния инфрачервен спектър или MIRI трябва да станат по-студени: под 7 Келвина (минус 448 градуса по Фаренхайт или минус 266 градуса по Целзий).
Това е само няколко градуса над абсолютната нула (0 Келвина) – най-ниската възможна температура, въпреки че никога не е физически постижима, защото представлява пълна липса на каквато и да е топлина. (MIRI обаче не е най-студеният инструмент за изображения, работещ в космоса.)
Температурата е по същество мярка за това колко бързо се движат атомите и освен че откриват собствената си инфрачервена светлина, детекторите на Webb могат да бъдат задействани от собствените си топлинни вибрации. MIRI открива светлина в по-нисък енергиен диапазон от другите три инструмента. В резултат на това неговите детектори са по-чувствителни към топлинни вибрации. Тези нежелани сигнали са това, което астрономите наричат ​​„шум“ и те могат да заглушат слабите сигнали, които Webb се опитва да открие.
След изстрелването, Webb ще разположи козирка с размерите на тенис корт, която ще предпазва MIRI и други инструменти от слънчевата топлина, позволявайки им пасивно охлаждане. Около 77 дни след изстрелването, криоохладителят на MIRI ще се нуждае от 19 дни, за да намали температурата на детекторите на инструмента под 7 Келвина.
„Сравнително лесно е да се охладят нещата до тази температура на Земята, често за научни или промишлени приложения“, каза Константин Пенанен, експерт по криоохладители в Лабораторията за реактивно движение на НАСА в Южна Калифорния, която управлява инструмента MIRI за НАСА. „Но тези наземни системи са много обемисти и енергийно неефективни. За космическа обсерватория се нуждаем от охладител, който е физически компактен, енергийно ефективен и трябва да е изключително надежден, защото не можем да излезем и да го поправим. Така че това са предизвикателствата, пред които сме изправени. В това отношение бих казал, че криоохладителите MIRI определено са на челните позиции.“
Една от научните цели на Уеб е да проучи свойствата на първите звезди, образували се във Вселената. Камерата на Уеб в близката инфрачервена област или инструментът NIRCam ще може да открива тези изключително отдалечени обекти, а MIRI ще помогне на учените да потвърдят, че тези слаби източници на светлина са струпвания от звезди от първо поколение, а не звезди от второ поколение, образувани по-късно в еволюцията на галактиката.
Чрез наблюдение на облаци прах, които са по-дебели от тези на инструментите в близката инфрачервена област, MIRI ще разкрие местата на раждане на звездите. Той ще открива и молекули, често срещани на Земята – като вода, въглероден диоксид и метан, както и молекули от скалисти минерали като силикати – в хладните среди около близките звезди, където могат да се образуват планети. Инструментите в близката инфрачервена област са по-добри в откриването на тези молекули като пари в по-горещи среди, докато MIRI може да ги види като лед.
„Чрез комбиниране на американския и европейския опит, ние разработихме MIRI като силата на Webb, което ще даде възможност на астрономи от цял ​​свят да отговорят на важни въпроси за това как се формират и еволюират звездите, планетите и галактиките“, каза Джилиън Райт, съ-ръководител на научния екип на MIRI и главен европейски изследовател на инструмента в Британския астрономически технологичен център (UK ATC).
Криоохладителят MIRI използва хелиев газ – достатъчен за пълнене на около девет парти балона – за да отвежда топлината далеч от детекторите на инструмента. Два електрически компресора изпомпват хелий през тръба, която се простира до мястото, където се намира детекторът. Тръбата преминава през метален блок, който също е прикрепен към детектора; охладеният хелий абсорбира излишната топлина от блока, поддържайки работната температура на детектора под 7 Келвина. Загрятият (но все още студен) газ след това се връща към компресора, където отделя излишната топлина и цикълът започва отново. По принцип системата е подобна на тази, използвана в домакинските хладилници и климатици.
Тръбите, които пренасят хелий, са изработени от позлатена неръждаема стомана и са с диаметър по-малък от една десета от инча (2,5 мм). Те се простират на около 10 метра от компресора, разположен в зоната на шината на космическия кораб, до детектора MIRI в елемента на оптичния телескоп, разположен зад основното огледало тип „пчелна пита“ на обсерваторията. Хардуер, наречен разгъваема кула, или DTA, свързва двете зони. Когато е опакована за изстрелване, DTA се компресира, подобно на бутало, за да помогне за инсталирането на прибраната обсерватория в защитата на върха на ракетата. Веднъж в космоса, кулата ще се разтегне, за да отдели шината на космическия кораб със стайна температура от по-хладните инструменти на оптичния телескоп и да позволи на сенника и телескопа да се разгърнат напълно.
Тази анимация показва идеалното изпълнение на разполагането на космическия телескоп Джеймс Уеб часове и дни след изстрелването. Разширяването на централната разгъваема кула ще увеличи разстоянието между двете части на MIRI. Те са свързани чрез спирални тръби с охладен хелий.
Но процесът на удължаване изисква хелиевата тръба да бъде удължена с разширяемия кулов възел. Така тръбата се навива като пружина, поради което инженерите на MIRI нарекоха тази част от тръбата „Slinky“ (плъзгаща се).
„Има някои предизвикателства при работата по система, която обхваща множество региони на обсерваторията“, каза Аналин Шнайдер, програмен мениджър на JPL MIRI. „Тези различни региони се ръководят от различни организации или центрове, включително Northrop Grumman и Центъра за космически полети „Годард“ на НАСА, трябва да разговаряме с всички. Няма друг хардуер на телескопа, който да прави това, така че това е предизвикателство, уникално за MIRI. Определено е имало дълъг път за криогенните охладители MIRI и ние сме готови да го видим в космоса.“
Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ ще бъде изстрелян през 2021 г. като водещата световна обсерватория за космически науки. „Уеб“ ще разгадае мистериите на нашата слънчева система, ще погледне към далечни светове около други звезди и ще изследва мистериозните структури и произхода на нашата вселена и нашето място. „Уеб“ е международна инициатива, ръководена от НАСА и нейните партньори ESA (Европейска космическа агенция) и Канадската космическа агенция.
MIRI е разработен чрез партньорство 50-50 между НАСА и ЕКА (Европейска космическа агенция). JPL ръководи усилията на САЩ за MIRI, а мултинационален консорциум от европейски астрономически институти допринася за ЕКА. Джордж Рийке от Университета на Аризона е ръководител на американския научен екип на MIRI. Джилиън Райт е ръководител на европейския научен екип на MIRI.
Алистър Глас от ATC, Великобритания, е учен по инструменти в MIRI, а Майкъл Реслер е учен по проекти в САЩ в JPL. Ласло Тамас от ATC, Великобритания, ръководи Европейския съюз. Разработването на криоохладителя MIRI беше ръководено и управлявано от JPL в сътрудничество с Центъра за космически полети „Годард“ на НАСА в Грийнбелт, Мериленд, и Northrop Grumman в Редондо Бийч, Калифорния.