Ingeniører udfører en "modtagelse" af James Webb-rumteleskopets mid-infrarøde instrument på NASAs Goddard Space Flight Center efter afgang fra Storbritannien.
JPL-flyteknikerne Johnny Melendez (til højre) og Joe Mora inspicerer MIRI-kryokøleren, inden de sender den til Northrop Grumman i Redondo Beach, Californien. Der er køleren fastgjort til Webb-teleskopets hus.
Denne del af MIRI-instrumentet, som er set på Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannien, indeholder infrarøde detektorer. Kryokøleren er placeret væk fra detektoren, fordi den fungerer ved en højere temperatur. Et rør, der fører koldt helium, forbinder de to sektioner.
MIRI (til venstre) står på en balancebom hos Northrop Grumman i Redondo Beach, mens ingeniører forbereder sig på at bruge en traverskran til at fastgøre den til Integrated Scientific Instrument Module (ISIM). ISIM er Webbs kerne, de fire videnskabelige instrumenter, der huser teleskopet.
Før MIRI-instrumentet – et af de fire videnskabelige instrumenter på observatoriet – kan fungere, skal det afkøles til næsten den laveste temperatur, som stof kan nå.
NASAs James Webb-rumteleskop, der efter planen skal opsendes den 24. december, er det største rumobservatorium i historien, og det har en lige så skræmmende opgave: at indsamle infrarødt lys fra universets fjerne hjørner, så forskere kan undersøge universets struktur og oprindelse. Vores univers og vores plads i det.
Mange kosmiske objekter – herunder stjerner og planeter, og den gas og det støv, de dannes af – udsender infrarødt lys, undertiden kaldet termisk stråling. Men det gælder også for de fleste andre varme objekter, såsom brødristere, mennesker og elektronik. Det betyder, at Webbs fire infrarøde instrumenter kan registrere deres eget infrarøde lys. For at reducere disse emissioner skal instrumentet være meget koldt – omkring 40 Kelvin eller minus 388 grader Fahrenheit (minus 233 grader Celsius). Men for at fungere korrekt skal detektorerne inde i det midterinfrarøde instrument, eller MIRI, blive koldere: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit eller minus 266 grader Celsius).
Det er kun få grader over det absolutte nulpunkt (0 Kelvin) – den koldeste temperatur, der teoretisk er mulig, selvom den aldrig er fysisk opnåelig, fordi den repræsenterer den fuldstændige fravær af varme. (MIRI er dog ikke det koldeste billeddannelsesinstrument, der opererer i rummet.)
Temperatur er i bund og grund et mål for, hvor hurtigt atomer bevæger sig, og udover at detektere deres eget infrarøde lys kan Webb-detektorer udløses af deres egne termiske vibrationer. MIRI detekterer lys i et lavere energiområde end de tre andre instrumenter. Som et resultat er dens detektorer mere følsomme over for termiske vibrationer. Disse uønskede signaler er, hvad astronomer kalder "støj", og de kan overdøve de svage signaler, som Webb forsøger at detektere.
Efter opsendelsen vil Webb udrulle et visir på størrelse med en tennisbane, der beskytter MIRI og andre instrumenter mod solens varme, så de kan køle passivt af. Fra cirka 77 dage efter opsendelsen vil MIRIs kryokøler tage 19 dage om at reducere temperaturen på instrumentets detektorer til under 7 Kelvin.
"Det er relativt nemt at køle ting ned til den temperatur på Jorden, ofte til videnskabelige eller industrielle anvendelser," sagde Konstantin Penanen, en kryokølerekspert ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien, som administrerer MIRI-instrumentet for NASA. "Men disse jordbaserede systemer er meget klodsede og energiineffektive. Til et rumobservatorium har vi brug for en køler, der er fysisk kompakt, energieffektiv, og den skal være yderst pålidelig, fordi vi ikke kan gå ud og reparere den. Så det er de udfordringer, vi står over for. I den henseende vil jeg sige, at MIRI-kryokølere bestemt er i forreste række."
Et af Webbs videnskabelige mål er at studere egenskaberne ved de første stjerner, der blev dannet i universet. Webbs nær-infrarøde kamera eller NIRCam-instrument vil være i stand til at detektere disse ekstremt fjerne objekter, og MIRI vil hjælpe forskere med at bekræfte, at disse svage lyskilder er klynger af førstegenerationsstjerner snarere end andengenerationsstjerner, der blev dannet senere i en galakseudvikling.
Ved at se på støvskyer, der er tykkere end nær-infrarøde instrumenter, vil MIRI afsløre stjerners fødesteder. Det vil også detektere molekyler, der almindeligvis findes på Jorden - såsom vand, kuldioxid og metan, samt molekyler af klippemineraler såsom silikater - i de kølige omgivelser omkring nærliggende stjerner, hvor planeter kan dannes. Nær-infrarøde instrumenter er bedre til at detektere disse molekyler som dampe i varmere omgivelser, mens MIRI kan se dem som is.
"Ved at kombinere amerikansk og europæisk ekspertise har vi udviklet MIRI som Webbs kraft, der vil gøre det muligt for astronomer fra hele verden at besvare store spørgsmål om, hvordan stjerner, planeter og galakser dannes og udvikler sig," sagde Gillian Wright, medleder af MIRI-forskerteamet og europæisk hovedforsker for instrumentet ved UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
MIRI-kryokøleren bruger heliumgas – nok til at fylde omkring ni festballoner – til at transportere varme væk fra instrumentets detektorer. To elektriske kompressorer pumper helium gennem et rør, der strækker sig til det sted, hvor detektoren er placeret. Røret løber gennem en metalblok, der også er fastgjort til detektoren; det afkølede helium absorberer overskydende varme fra blokken og holder detektorens driftstemperatur under 7 Kelvin. Den opvarmede (men stadig kolde) gas vender derefter tilbage til kompressoren, hvor den udstøder den overskydende varme, og cyklussen begynder forfra. Grundlæggende set ligner systemet det, der bruges i husholdningskøleskabe og klimaanlæg.
Rørene, der transporterer helium, er lavet af forgyldt rustfrit stål og har en diameter på mindre end en tiendedel af en tomme (2,5 mm). Det strækker sig omkring 10 meter fra kompressoren, der er placeret i rumfartøjsbusområdet, til MIRI-detektoren i det optiske teleskopelement, der er placeret bag observatoriets bikageformede primærspejl. Hardware kaldet en udfoldelig tårnenhed, eller DTA, forbinder de to områder. Når DTA'en er pakket til opsendelse, komprimeres den, lidt ligesom et stempel, for at hjælpe med at installere det stuetemperaturerede observatorium i beskyttelsen oven på raketten. Når tårnet er i rummet, vil det forlænges for at adskille rumfartøjsbussen med stuetemperatur fra de køligere optiske teleskopinstrumenter og give mulighed for, at solskærmen og teleskopet kan foldes helt ud.
Denne animation viser den ideelle udførelse af James Webb-rumteleskopets opsendelse timer og dage efter opsendelsen. Udvidelsen af ​​den centrale, udskiftelige tårnenhed vil øge afstanden mellem de to dele af MIRI. De er forbundet med spiralformede rør med afkølet helium.
Men forlængelsesprocessen kræver, at heliumrøret forlænges med den udvidelige tårnenhed. Så røret snor sig som en fjeder, hvilket er grunden til, at MIRI-ingeniører har givet denne del af røret øgenavnet "Slinky".
"Der er nogle udfordringer ved at arbejde på et system, der spænder over flere områder af observatoriet," sagde Analyn Schneider, JPL MIRI-programleder. "Disse forskellige områder ledes af forskellige organisationer eller centre, herunder Northrop Grumman og det amerikanske NASAs Goddard Space Flight Center, og vi er nødt til at tale med alle. Der er intet andet hardware på teleskopet, der behøver at gøre det, så det er en udfordring, der er unik for MIRI. Det har helt sikkert været en lang vej for MIRI-kryokølernes vej, og vi er klar til at se det i rummet."
James Webb-rumteleskopet opsendes i 2021 som verdens førende observatorium inden for rumvidenskab. Webb vil opklare mysterierne i vores solsystem, se på fjerne verdener omkring andre stjerner og udforske de mystiske strukturer og oprindelser af vores univers og vores sted. Webb er et internationalt initiativ ledet af NASA og dets partnere ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.
MIRI blev udviklet gennem et 50-50 partnerskab mellem NASA og ESA (Den Europæiske Rumorganisation). JPL leder den amerikanske indsats for MIRI, og et multinationalt konsortium af europæiske astronomiske institutter bidrager til ESA. George Rieke fra University of Arizona er leder af MIRIs amerikanske videnskabelige team. Gillian Wright er leder af MIRIs europæiske videnskabelige team.
Alistair Glasse fra ATC, Storbritannien, er MIRI Instrument Scientist, og Michael Ressler er amerikansk projektforsker hos JPL. Laszlo Tamas fra UK ATC leder Den Europæiske Union. Udviklingen af ​​MIRI-kryokøleren blev ledet og administreret af JPL i samarbejde med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og Northrop Grumman i Redondo Beach, Californien.