Inženjeri provode "prihvatanje" instrumenta svemirskog teleskopa James Webb u srednjem infracrvenom području u NASA-inom centru za svemirske letove Goddard nakon polaska iz Velike Britanije.
Tehničari leta JPL-a Johnny Melendez (desno) i Joe Mora pregledaju MIRI kriohladnjak prije nego što ga pošalju kompaniji Northrop Grumman u Redondo Beachu u Kaliforniji. Tamo je hladnjak pričvršćen za tijelo Webb teleskopa.
Ovaj dio MIRI instrumenta, viđen u Appleton laboratoriji u Rutherfordu, u Velikoj Britaniji, sadrži infracrvene detektore. Kriohladnjak se nalazi dalje od detektora jer radi na višoj temperaturi. Cijev koja nosi hladni helijum povezuje dva dijela.
MIRI (lijevo) se nalazi na gredi za ravnotežu u Northrop Grummanu u Redondo Beachu dok se inženjeri pripremaju da ga pomoću nadzemne dizalice pričvrste na Integrisani naučni instrumentni modul (ISIM). ISIM je Webbov jezgro, četiri naučna instrumenta u kojima se nalazi teleskop.
Prije nego što MIRI instrument - jedan od četiri naučna instrumenta na opservatoriji - može raditi, mora se ohladiti na gotovo najnižu temperaturu koju materija može dostići.
NASA-in svemirski teleskop James Webb, čije je lansiranje planirano za 24. decembar, najveća je svemirska opservatorija u historiji i ima podjednako težak zadatak: prikupljanje infracrvene svjetlosti iz udaljenih kutaka svemira, omogućavajući naučnicima da istraže strukturu i porijeklo svemira. Naš svemir i naše mjesto u njemu.
Mnogi kosmički objekti - uključujući zvijezde i planete, te plin i prašinu od kojih se formiraju - emituju infracrveno svjetlo, koje se ponekad naziva toplinskim zračenjem. Ali isto važi i za većinu drugih toplih objekata, poput tostera, ljudi i elektronike. To znači da Webbova četiri infracrvena instrumenta mogu detektovati vlastito infracrveno svjetlo. Da bi se smanjile ove emisije, instrument mora biti vrlo hladan - oko 40 Kelvina, ili minus 388 stepeni Fahrenheita (minus 233 stepena Celzijusa). Ali da bi ispravno funkcionirali, detektori unutar instrumenta za srednji infracrveni spektar, ili MIRI, moraju se ohladiti: ispod 7 Kelvina (minus 448 stepeni Fahrenheita, ili minus 266 stepeni Celzijusa).
To je samo nekoliko stepeni iznad apsolutne nule (0 Kelvina) – najniže teoretski moguće temperature, iako nikada nije fizički dostižna jer predstavlja potpuno odsustvo bilo kakve toplote. (Međutim, MIRI nije najhladniji instrument za snimanje koji radi u svemiru.)
Temperatura je u suštini mjera brzine kretanja atoma, a pored detekcije vlastite infracrvene svjetlosti, Webb detektori mogu biti aktivirani vlastitim termalnim vibracijama. MIRI detektuje svjetlost u nižem energetskom rasponu od ostala tri instrumenta. Kao rezultat toga, njegovi detektori su osjetljiviji na termalne vibracije. Ovi neželjeni signali su ono što astronomi nazivaju "šumom" i mogu nadjačati slabe signale koje Webb pokušava detektovati.
Nakon lansiranja, Webb će postaviti vizir veličine teniskog terena koji će štititi MIRI i druge instrumente od sunčeve topline, omogućavajući im pasivno hlađenje. Počevši od otprilike 77 dana nakon lansiranja, MIRI-jevom kriohladnjaku će trebati 19 dana da smanji temperaturu detektora instrumenta ispod 7 Kelvina.
„Relativno je lako ohladiti stvari na tu temperaturu na Zemlji, često za naučne ili industrijske primjene“, rekao je Konstantin Penanen, stručnjak za kriohladnjake u NASA-inoj Laboratoriji za mlazni pogon u Južnoj Kaliforniji, koja upravlja MIRI instrumentom za NASA-u. „Ali ti zemaljski sistemi su vrlo glomazni i energetski neefikasni. Za svemirsku opservatoriju potreban nam je hladnjak koji je fizički kompaktan, energetski efikasan i mora biti vrlo pouzdan jer ga ne možemo sami popraviti. Dakle, to su izazovi s kojima se suočavamo, u tom smislu, rekao bih da su MIRI kriohladnjaci definitivno u prvom planu.“
Jedan od Webbovih naučnih ciljeva je proučavanje svojstava prvih zvijezda koje su se formirale u svemiru. Webbova kamera bliskog infracrvenog zračenja ili NIRCam instrument moći će detektovati ove izuzetno udaljene objekte, a MIRI će pomoći naučnicima da potvrde da su ovi slabi izvori svjetlosti jata zvijezda prve generacije, a ne zvijezda druge generacije koje su se formirale kasnije u evoluciji galaksije.
Posmatrajući oblake prašine koji su gušći od onih koje nude instrumenti bliskog infracrvenog spektra, MIRI će otkriti mjesta rođenja zvijezda. Također će detektovati molekule koje se obično nalaze na Zemlji - poput vode, ugljičnog dioksida i metana, kao i molekule kamenih minerala poput silikata - u hladnim okruženjima oko obližnjih zvijezda, gdje se planete mogu formirati. Instrumenti bliskog infracrvenog spektra su bolji u detekciji ovih molekula kao pare u toplijim okruženjima, dok ih MIRI može vidjeti kao led.
„Kombinacijom američke i evropske ekspertize, razvili smo MIRI kao snagu Webba, koja će omogućiti astronomima iz cijelog svijeta da odgovore na velika pitanja o tome kako se zvijezde, planete i galaksije formiraju i razvijaju“, rekla je Gillian Wright, ko-voditeljica naučnog tima MIRI i glavna evropska istraživačica za instrument u Astronomskom tehnološkom centru Ujedinjenog Kraljevstva (UK ATC).
MIRI kriohladnjak koristi helijum - dovoljan da napuni oko devet balona za zabave - za odvođenje toplote dalje od detektora instrumenta. Dva električna kompresora pumpaju helijum kroz cijev koja se proteže do mjesta gdje se nalazi detektor. Cijev prolazi kroz metalni blok koji je također pričvršćen za detektor; ohlađeni helijum apsorbuje višak toplote iz bloka, održavajući radnu temperaturu detektora ispod 7 Kelvina. Zagrijani (ali i dalje hladan) gas se zatim vraća u kompresor, gdje izbacuje višak toplote, i ciklus počinje ispočetka. U osnovi, sistem je sličan onome koji se koristi u kućnim hladnjacima i klima uređajima.
Cijevi koje prenose helijum napravljene su od pozlaćenog nehrđajućeg čelika i imaju promjer manji od jedne desetine inča (2,5 mm). Proteže se oko 10 metara od kompresora koji se nalazi u području svemirske letjelice do MIRI detektora u elementu optičkog teleskopa koji se nalazi iza primarnog ogledala opservatorije u obliku saća. Hardver koji se naziva sklop rasklopivog tornja, ili DTA, povezuje dva područja. Kada se pakuje za lansiranje, DTA se komprimuje, pomalo poput klipa, kako bi se pomoglo u postavljanju spremljene opservatorije u zaštitu na vrhu rakete. Jednom u svemiru, toranj će se produžiti kako bi odvojio svemirski prostor svemirske letjelice sobne temperature od hladnijih optičkih teleskopskih instrumenata i omogućio da se suncobran i teleskop u potpunosti rasklope.
Ova animacija prikazuje idealno izvršenje raspoređivanja svemirskog teleskopa James Webb satima i danima nakon lansiranja. Proširenje centralnog sklopa rasklopivog tornja povećat će udaljenost između dva dijela MIRI-ja. Povezani su spiralnim cijevima s hlađenim helijumom.
Ali proces elongacije zahtijeva da se cijev s helijem produži pomoću sklopa tornja koji se može proširiti. Dakle, cijev se namotava poput opruge, zbog čega su inženjeri MIRI-ja ovaj dio cijevi nazvali "Slinky" (Visoki).
„Postoje neki izazovi u radu na sistemu koji obuhvata više regija opservatorije“, rekla je Analyn Schneider, menadžerica programa JPL MIRI. „Ove različite regije vode različite organizacije ili centri, uključujući Northrop Grumman i američki NASA-in Goddard Space Flight Center, moramo razgovarati sa svima. Na teleskopu nema drugog hardvera koji to treba da radi, tako da je to izazov jedinstven za MIRI. Definitivno je bio dug red za MIRI kriohladnjake, a mi smo spremni da ih vidimo u svemiru.“
Svemirski teleskop James Webb bit će lansiran 2021. godine kao vodeća svjetska opservatorija za svemirske nauke. Webb će otkriti misterije našeg Sunčevog sistema, pogledati udaljene svjetove oko drugih zvijezda i istražiti misteriozne strukture i porijeklo našeg svemira i našeg mjesta. Webb je međunarodna inicijativa koju predvode NASA i njeni partneri ESA (Evropska svemirska agencija) i Kanadska svemirska agencija.
MIRI je razvijen kroz partnerstvo 50-50 između NASA-e i ESA-e (Evropske svemirske agencije). JPL predvodi američke napore za MIRI, a multinacionalni konzorcij evropskih astronomskih instituta doprinosi ESA-i. George Rieke sa Univerziteta u Arizoni je vođa američkog naučnog tima MIRI-ja. Gillian Wright je šefica evropskog naučnog tima MIRI-ja.
Alistair Glasse iz ATC-a u Velikoj Britaniji je naučnik za instrumente MIRI-ja, a Michael Ressler je američki projektni naučnik u JPL-u. Laszlo Tamas iz ATC-a u Velikoj Britaniji zadužen je za Evropsku uniju. Razvoj kriohladnjaka MIRI vodio je i upravljao JPL u saradnji s NASA-inim Centrom za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Maryland, i Northrop Grummanom u Redondo Beachu, Kalifornija.