Inženýři provádějí „přejímku“ přístroje pro střední infračervenou oblast vesmírného dalekohledu Jamese Webba v Goddardově vesmírném letovém středisku NASA po odletu z Velké Británie.
Letoví technici JPL Johnny Melendez (vpravo) a Joe Mora kontrolují kryochladič MIRI před jeho odesláním do společnosti Northrop Grumman v Redondo Beach v Kalifornii. Tam je chladič připevněn k tělu dalekohledu Webb.
Tato část přístroje MIRI, kterou lze vidět v Appletonově laboratoři v Rutherfordu ve Velké Británii, obsahuje infračervené detektory. Kryochladič je umístěn dále od detektoru, protože pracuje při vyšší teplotě. Obě části spojuje trubice s chladným héliem.
MIRI (vlevo) sedí na kladině v Northrop Grumman v Redondo Beach, zatímco se inženýři připravují na použití mostového jeřábu k jeho připojení k Integrovanému vědeckému přístrojovému modulu (ISIM). ISIM je jádrem Webbova dalekohledu, čtyřmi vědeckými přístroji, které obsahují teleskop.
Než bude přístroj MIRI – jeden ze čtyř vědeckých přístrojů na observatoři – moci fungovat, musí být ochlazen na téměř nejnižší teplotu, jaké může hmota dosáhnout.
Vesmírný dalekohled Jamese Webba agentury NASA, jehož start je naplánován na 24. prosince, je největší vesmírnou observatoří v historii a má stejně náročný úkol: sbírat infračervené světlo z odlehlých koutů vesmíru, což vědcům umožní zkoumat strukturu a původ vesmíru. Náš vesmír a naše místo v něm.
Mnoho kosmických objektů – včetně hvězd a planet a plynu a prachu, ze kterých se tvoří – vyzařuje infračervené světlo, někdy nazývané tepelné záření. Stejně tak ale vyzařuje i většina ostatních teplých objektů, jako jsou toustovače, lidé a elektronika. To znamená, že čtyři infračervené přístroje společnosti Webb dokáží detekovat své vlastní infračervené světlo. Aby se tyto emise snížily, musí být přístroj velmi chladný – asi 40 Kelvinů neboli mínus 388 stupňů Fahrenheita (mínus 233 stupňů Celsia). Aby však detektory uvnitř přístroje pro střední infračervenou oblast neboli MIRI správně fungovaly, musí se ochladit: pod 7 Kelvinů (mínus 448 stupňů Fahrenheita neboli mínus 266 stupňů Celsia).
To je jen několik stupňů nad absolutní nulou (0 Kelvinů) – nejnižší teoreticky možná teplota, ačkoliv fyzicky nikdy není dosažitelná, protože představuje úplnou absenci jakéhokoli tepla. (MIRI však není nejchladnějším zobrazovacím přístrojem působícím ve vesmíru.)
Teplota je v podstatě měřítkem rychlosti pohybu atomů a kromě detekce vlastního infračerveného světla mohou být detektory Webb spouštěny i vlastními tepelnými vibracemi. MIRI detekuje světlo v nižším energetickém rozsahu než ostatní tři přístroje. V důsledku toho jsou jeho detektory citlivější na tepelné vibrace. Tyto nežádoucí signály astronomové nazývají „šum“ a mohou přehlušit slabé signály, které se Webb snaží detekovat.
Po startu Webb nasadí clonu o velikosti tenisového kurtu, která bude chránit MIRI a další přístroje před slunečním teplem a umožní jim pasivní ochlazování. Přibližně 77 dní po startu bude kryochladiči MIRI trvat 19 dní, než sníží teplotu detektorů přístroje pod 7 Kelvinů.
„Na Zemi je relativně snadné ochladit věci na tuto teplotu, často pro vědecké nebo průmyslové aplikace,“ řekl Konstantin Penanen, expert na kryochladiče v Laboratoři tryskového pohonu NASA v jižní Kalifornii, která pro NASA spravuje přístroj MIRI. „Tyto pozemní systémy jsou však velmi objemné a energeticky neefektivní. Pro vesmírnou observatoř potřebujeme chladič, který je fyzicky kompaktní, energeticky účinný a musí být vysoce spolehlivý, protože ho nemůžeme sami opravit. Takže to jsou výzvy, kterým čelíme. V tomto ohledu bych řekl, že kryochladiče MIRI jsou rozhodně v popředí.“
Jedním z Webbových vědeckých cílů je studovat vlastnosti prvních hvězd, které se ve vesmíru zformovaly. Webbova kamera pro blízké infračervené záření neboli přístroj NIRCam bude schopen detekovat tyto extrémně vzdálené objekty a MIRI pomůže vědcům potvrdit, že tyto slabé zdroje světla jsou shluky hvězd první generace, nikoli hvězd druhé generace, které se zformovaly později v průběhu vývoje galaxie.
Pozorováním prachových mračen, která jsou silnější než u přístrojů pro blízké infračervené záření, MIRI odhalí místa zrození hvězd. Bude také detekovat molekuly běžně se vyskytující na Zemi – jako je voda, oxid uhličitý a metan, stejně jako molekuly horninových minerálů, jako jsou silikáty – v chladném prostředí kolem blízkých hvězd, kde se mohou tvořit planety. Přístroje pro blízké infračervené záření lépe detekují tyto molekuly jako páry v teplejším prostředí, zatímco MIRI je dokáže vidět jako led.
„Spojením amerických a evropských odborných znalostí jsme vyvinuli MIRI jako sílu Webbova systému, která astronomům z celého světa umožní odpovědět na důležité otázky o tom, jak se hvězdy, planety a galaxie formují a vyvíjejí,“ uvedla Gillian Wrightová, spoluvedoucí vědeckého týmu MIRI a hlavní evropská výzkumná pracovnice pro tento přístroj v Britském centru astronomických technologií (UK ATC).
Kryochladič MIRI používá k odvádění tepla od detektorů přístroje plynné hélium – dostatečné k naplnění asi devíti párty balónků. Dva elektrické kompresory pumpují hélium trubicí, která vede až k místu, kde se nachází detektor. Trubice prochází kovovým blokem, který je také připojen k detektoru; ochlazené hélium absorbuje přebytečné teplo z bloku a udržuje provozní teplotu detektoru pod 7 Kelviny. Ohřátý (ale stále studený) plyn se poté vrací do kompresoru, kde odvádí přebytečné teplo a cyklus začíná znovu. V zásadě je systém podobný systému používanému v domácích ledničkách a klimatizacích.
Trubky, které přivádějí helium, jsou vyrobeny z pozlacené nerezové oceli a mají průměr menší než jedna desetina palce (2,5 mm). Táhnou se asi 10 metrů od kompresoru umístěného v oblasti sběrnice kosmické lodi k detektoru MIRI v optickém dalekohledu umístěném za primárním zrcadlem ve tvaru voštiny observatoře. Tyto dvě oblasti spojuje hardware zvaný rozkládací věžová sestava neboli DTA. Po zabalení pro start se DTA stlačí, trochu jako píst, aby se pomohlo nainstalovat uloženou observatoř do ochrany na vrcholu rakety. Jakmile je věž ve vesmíru, roztáhne se, aby oddělila sběrnici kosmické lodi s pokojovou teplotou od chladnějších optických přístrojů dalekohledu a umožnila plné rozvinutí sluneční clony a dalekohledu.
Tato animace ukazuje ideální provedení rozmístění vesmírného dalekohledu Jamese Webba hodiny a dny po startu. Rozšíření centrální rozkládací věže zvětší vzdálenost mezi oběma částmi MIRI. Jsou spojeny spirálovými trubicemi s chlazeným héliem.
Proces prodlužování však vyžaduje, aby se heliová trubice prodlužovala pomocí roztažitelné věže. Trubice se tedy vine jako pružina, a proto inženýři z MIRI dali této části trubice přezdívku „Slinky“.
„Práce na systému, který zahrnuje více oblastí observatoře, je spojena s určitými výzvami,“ řekla Analyn Schneiderová, programová manažerka JPL MIRI. „Tyto různé oblasti vedou různé organizace nebo centra, včetně Northrop Grumman a Goddardova vesmírného střediska NASA, musíme se všemi bavit. Na dalekohledu není žádný jiný hardware, který by to musel dělat, takže je to výzva jedinečná pro MIRI. Cesta ke kryochladičům MIRI byla rozhodně dlouhá a my jsme připraveni ji vidět ve vesmíru.“
Vesmírný dalekohled Jamese Webba bude vypuštěn v roce 2021 jako přední světová observatoř pro vesmírné vědy. Webb bude odhalovat záhady naší sluneční soustavy, dívat se do vzdálených světů kolem jiných hvězd a zkoumat tajemné struktury a původ našeho vesmíru a našeho místa. Webb je mezinárodní iniciativa vedená NASA a jejími partnery ESA (Evropská kosmická agentura) a Kanadskou kosmickou agenturou.
MIRI byl vyvinut v rámci partnerství 50:50 mezi NASA a ESA (Evropská kosmická agentura). JPL vede americké úsilí o MIRI a do ESA přispívá nadnárodní konsorcium evropských astronomických institutů. George Rieke z Arizonské univerzity je vedoucím amerického vědeckého týmu MIRI. Gillian Wright je vedoucí evropského vědeckého týmu MIRI.
Alistair Glasse z ATC ve Spojeném království je vědeckým pracovníkem MIRI Instrument Scientist a Michael Ressler je americkým projektovým vědeckým pracovníkem v JPL. Laszlo Tamas z britského ATC řídí Evropskou unii. Vývoj kryochladiče MIRI vedl a řídil JPL ve spolupráci s Goddardův vesmírný letový středisko NASA v Greenbeltu v Marylandu a Northrop Grumman v Redondo Beach v Kalifornii.