Els enginyers duen a terme una "acceptació" de l'instrument d'infraroig mitjà del telescopi espacial James Webb al Goddard Space Flight Center de la NASA després de sortir del Regne Unit.
Els tècnics de vol del JPL, Johnny Melendez (dreta) i Joe Mora, inspeccionen el criorefrigerador MIRI abans d'enviar-lo a Northrop Grumman a Redondo Beach, Califòrnia. Allà, el refrigerador està connectat al cos del telescopi Webb.
Aquesta part de l'instrument MIRI, vist al Laboratori Appleton de Rutherford, Regne Unit, conté detectors d'infrarojos. El criorefrigerador està situat lluny del detector perquè funciona a una temperatura més alta. Un tub que transporta heli fred connecta les dues seccions.
El MIRI (esquerra) es troba sobre una biga d'equilibri a Northrop Grumman, a Redondo Beach, mentre els enginyers es preparen per utilitzar una grua per connectar-lo al Mòdul d'Instruments Científics Integrats (ISIM). L'ISIM és el nucli de Webb, els quatre instruments científics que alberguen el telescopi.
Abans que l'instrument MIRI, un dels quatre instruments científics de l'observatori, pugui funcionar, s'ha de refredar gairebé a la temperatura més baixa que pot assolir la matèria.
El telescopi espacial James Webb de la NASA, que es llançarà el 24 de desembre, és l'observatori espacial més gran de la història i té una tasca igualment descoratjadora: recollir llum infraroja de racons remots de l'univers, permetent als científics investigar l'estructura i els orígens de l'univers. El nostre univers i el nostre lloc en ell.
Molts objectes còsmics, incloent-hi estrelles i planetes, i el gas i la pols dels quals es formen, emeten llum infraroja, de vegades anomenada radiació tèrmica. Però també ho fan la majoria d'altres objectes càlids, com ara torradores, humans i aparells electrònics. Això significa que els quatre instruments d'infrarojos de Webb poden detectar la seva pròpia llum infraroja. Per reduir aquestes emissions, l'instrument ha d'estar molt fred: uns 40 Kelvin, o menys 388 graus Fahrenheit (menys 233 graus Celsius). Però per funcionar correctament, els detectors dins de l'instrument d'infraroig mitjà, o MIRI, s'han de refredar: per sota de 7 Kelvin (menys 448 graus Fahrenheit, o menys 266 graus Celsius).
Això són només uns pocs graus per sobre del zero absolut (0 Kelvin), la temperatura més freda teòricament possible, tot i que mai no s'assoleix físicament perquè representa l'absència completa de calor. (Tanmateix, el MIRI no és l'instrument d'imatge més fred que funciona a l'espai.)
La temperatura és essencialment una mesura de la velocitat a la qual es mouen els àtoms i, a més de detectar la seva pròpia llum infraroja, els detectors Webb poden ser activats per les seves pròpies vibracions tèrmiques. El MIRI detecta llum en un rang d'energia inferior que els altres tres instruments. Com a resultat, els seus detectors són més sensibles a les vibracions tèrmiques. Aquests senyals no desitjats són el que els astrònoms anomenen "soroll" i poden eclipsar els senyals febles que Webb intenta detectar.
Després del llançament, Webb desplegarà una visera de la mida d'una pista de tennis que protegirà el MIRI i altres instruments de la calor del sol, permetent-los refredar passivament. A partir d'uns 77 dies després del llançament, el criorefrigerador del MIRI trigarà 19 dies a reduir la temperatura dels detectors de l'instrument per sota dels 7 Kelvin.
«És relativament fàcil refredar les coses a aquesta temperatura a la Terra, sovint per a aplicacions científiques o industrials», va dir Konstantin Penanen, un expert en criorefrigeradors del Laboratori de Propulsió a Raig de la NASA al sud de Califòrnia, que gestiona l'instrument MIRI per a la NASA. «Però aquests sistemes terrestres són molt voluminosos i ineficients energèticament. Per a un observatori espacial, necessitem un refrigerador que sigui físicament compacte, eficient energèticament i que hagi de ser altament fiable perquè no podem sortir i arreglar-lo. Així doncs, aquests són els reptes als quals ens enfrontem. En aquest sentit, diria que els criorefrigeradors MIRI estan definitivament a l'avantguarda».
Un dels objectius científics de Webb és estudiar les propietats de les primeres estrelles que es van formar a l'univers. La càmera d'infraroig proper de Webb, o l'instrument NIRCam, podrà detectar aquests objectes extremadament distants, i MIRI ajudarà els científics a confirmar que aquestes fonts de llum febles són cúmuls d'estrelles de primera generació, en lloc d'estrelles de segona generació que es van formar més tard en una evolució galàctica.
Observant núvols de pols més gruixuts que els instruments d'infraroig proper, el MIRI revelarà els llocs de naixement de les estrelles. També detectarà molècules que es troben habitualment a la Terra, com ara aigua, diòxid de carboni i metà, així com molècules de minerals rocosos com els silicats, en els ambients freds al voltant de les estrelles properes, on es poden formar planetes. Els instruments d'infraroig proper són millors per detectar aquestes molècules com a vapors en ambients més càlids, mentre que el MIRI les pot veure com a gel.
«Combinant l'experiència nord-americana i europea, hem desenvolupat MIRI com la potència de Webb, que permetrà als astrònoms d'arreu del món respondre a grans preguntes sobre com es formen i evolucionen les estrelles, els planetes i les galàxies», va dir Gillian Wright, codirectora de l'equip científic de MIRI i investigadora principal europea de l'instrument al Centre de Tecnologia Astronòmica del Regne Unit (UK ATC).
El criorefrigerador MIRI utilitza gas heli (suficient per omplir uns nou globus de festa) per allunyar la calor dels detectors de l'instrument. Dos compressors elèctrics bomben heli a través d'un tub que s'estén fins a on es troba el detector. El tub passa per un bloc de metall que també està unit al detector; l'heli refredat absorbeix l'excés de calor del bloc, mantenint la temperatura de funcionament del detector per sota dels 7 Kelvin. El gas escalfat (però encara fred) torna al compressor, on expulsa l'excés de calor i el cicle torna a començar. Fonamentalment, el sistema és similar al que s'utilitza en neveres i aparells d'aire condicionat domèstics.
Els tubs que transporten heli estan fets d'acer inoxidable xapat en or i tenen menys d'una dècima de polzada (2,5 mm) de diàmetre. S'estén uns 10 metres des del compressor situat a la zona del bus de la nau espacial fins al detector MIRI a l'element del telescopi òptic situat darrere del mirall primari en forma de bresca de l'observatori. El maquinari anomenat conjunt de torre desplegable, o DTA, connecta les dues zones. Quan s'empaqueta per al llançament, el DTA es comprimeix, una mica com un pistó, per ajudar a instal·lar l'observatori guardat a la protecció a la part superior del coet. Un cop a l'espai, la torre s'estendrà per separar el bus de la nau espacial a temperatura ambient dels instruments del telescopi òptic més freds i permetre que el para-sol i el telescopi es despleguin completament.
Aquesta animació mostra l'execució ideal del desplegament del Telescopi Espacial James Webb hores i dies després del llançament. L'expansió del conjunt de la torre desplegable central augmentarà la distància entre les dues parts del MIRI. Estan connectades per tubs helicoïdals amb heli refredat.
Però el procés d'elongació requereix que el tub d'heli s'estengui amb el conjunt de torre expansible. Així doncs, el tub s'enrotlla com una molla, motiu pel qual els enginyers de MIRI van anomenar aquesta part del tub "Slinky".
«Hi ha alguns reptes a l'hora de treballar en un sistema que abasta diverses regions de l'observatori», va dir Analyn Schneider, directora del programa JPL MIRI. «Aquestes diferents regions estan dirigides per diferents organitzacions o centres, com ara Northrop Grumman i el Goddard Space Flight Center de la NASA, hem de parlar amb tothom. No hi ha cap altre maquinari al telescopi que necessiti fer això, així que és un repte exclusiu de MIRI. Definitivament, ha estat una llarga cua per al camí dels criorefrigeradors MIRI, i estem preparats per veure'l a l'espai».
El Telescopi Espacial James Webb es llançarà el 2021 com a observatori de ciència espacial més important del món. Webb desentranyarà els misteris del nostre sistema solar, observarà mons distants al voltant d'altres estrelles i explorarà les estructures i els orígens misteriosos del nostre univers i del nostre lloc. Webb és una iniciativa internacional liderada per la NASA i els seus socis l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca.
MIRI es va desenvolupar mitjançant una col·laboració al 50% entre la NASA i l'ESA (Agència Espacial Europea). El JPL lidera l'esforç dels Estats Units per a MIRI, i un consorci multinacional d'instituts astronòmics europeus contribueix a l'ESA. George Rieke, de la Universitat d'Arizona, és el cap de l'equip científic dels Estats Units de MIRI. Gillian Wright és la cap de l'equip científic europeu de MIRI.
Alistair Glasse, de l'ATC del Regne Unit, és científic d'instruments MIRI i Michael Ressler és científic de projectes dels EUA al JPL. Laszlo Tamas, de l'ATC del Regne Unit, dirigeix ​​la Unió Europea. El desenvolupament del criorefrigerador MIRI va ser dirigit i gestionat pel JPL en col·laboració amb el Goddard Space Flight Center de la NASA a Greenbelt, Maryland, i Northrop Grumman a Redondo Beach, Califòrnia.