Μηχανικοί πραγματοποιούν «παραλαβή» του οργάνου μέσου υπέρυθρου του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA μετά την αναχώρησή του από το Ηνωμένο Βασίλειο.
Οι τεχνικοί πτήσης του JPL, Johnny Melendez (δεξιά) και Joe Mora, επιθεωρούν τον κρυοψύκτη MIRI πριν τον στείλουν στην Northrop Grumman στο Redondo Beach της Καλιφόρνια. Εκεί, ο ψύκτης είναι προσαρτημένος στο σώμα του τηλεσκοπίου Webb.
Αυτό το μέρος του οργάνου MIRI, που φαίνεται στο Εργαστήριο Appleton στο Rutherford του Ηνωμένου Βασιλείου, περιέχει ανιχνευτές υπερύθρων. Ο κρυοψύκτης βρίσκεται μακριά από τον ανιχνευτή επειδή λειτουργεί σε υψηλότερη θερμοκρασία. Ένας σωλήνας που μεταφέρει κρύο ήλιο συνδέει τα δύο τμήματα.
Το MIRI (αριστερά) βρίσκεται σε μια δοκό ισορροπίας στο Northrop Grumman στο Redondo Beach, καθώς οι μηχανικοί ετοιμάζονται να χρησιμοποιήσουν έναν γερανό για να το συνδέσουν με την Ολοκληρωμένη Μονάδα Επιστημονικών Οργάνων (ISIM). Το ISIM είναι ο πυρήνας του Webb, τα τέσσερα επιστημονικά όργανα που στεγάζουν το τηλεσκόπιο.
Πριν λειτουργήσει το όργανο MIRI — ένα από τα τέσσερα επιστημονικά όργανα στο αστεροσκοπείο — πρέπει να ψυχθεί σχεδόν στη χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να φτάσει η ύλη.
Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb της NASA, που έχει προγραμματιστεί να εκτοξευθεί στις 24 Δεκεμβρίου, είναι το μεγαλύτερο διαστημικό παρατηρητήριο στην ιστορία και έχει ένα εξίσου δύσκολο έργο: τη συλλογή υπέρυθρου φωτός από μακρινές γωνιές του σύμπαντος, επιτρέποντας στους επιστήμονες να διερευνήσουν τη δομή και την προέλευση του σύμπαντος. Το σύμπαν μας και η θέση μας σε αυτό.
Πολλά κοσμικά αντικείμενα — συμπεριλαμβανομένων των αστεριών και των πλανητών, καθώς και του αερίου και της σκόνης από τα οποία σχηματίζονται — εκπέμπουν υπέρυθρο φως, που μερικές φορές ονομάζεται θερμική ακτινοβολία. Αλλά το ίδιο ισχύει και για τα περισσότερα άλλα θερμά αντικείμενα, όπως οι τοστιέρες, οι άνθρωποι και τα ηλεκτρονικά. Αυτό σημαίνει ότι τα τέσσερα υπέρυθρα όργανα του Webb μπορούν να ανιχνεύσουν το δικό τους υπέρυθρο φως. Για να μειωθούν αυτές οι εκπομπές, το όργανο πρέπει να είναι πολύ κρύο — περίπου 40 Kelvin ή μείον 388 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 233 βαθμοί Κελσίου). Αλλά για να λειτουργήσουν σωστά, οι ανιχνευτές μέσα στο όργανο μέσης υπέρυθρης ακτινοβολίας, ή MIRI, πρέπει να ψυχθούν: κάτω από 7 Kelvin (μείον 448 βαθμοί Φαρενάιτ ή μείον 266 βαθμοί Κελσίου).
Αυτό είναι μόνο λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν (0 Kelvin) – η πιο κρύα θερμοκρασία θεωρητικά δυνατή, αν και δεν είναι ποτέ φυσικά εφικτή επειδή αντιπροσωπεύει την πλήρη απουσία οποιασδήποτε θερμότητας. (Ωστόσο, το MIRI δεν είναι το πιο κρύο όργανο απεικόνισης που λειτουργεί στο διάστημα.)
Η θερμοκρασία είναι ουσιαστικά ένα μέτρο της ταχύτητας που κινούνται τα άτομα και, εκτός από την ανίχνευση του δικού τους υπέρυθρου φωτός, οι ανιχνευτές Webb μπορούν να ενεργοποιηθούν από τις δικές τους θερμικές δονήσεις. Το MIRI ανιχνεύει φως σε χαμηλότερο ενεργειακό εύρος από τα άλλα τρία όργανα. Ως αποτέλεσμα, οι ανιχνευτές του είναι πιο ευαίσθητοι στις θερμικές δονήσεις. Αυτά τα ανεπιθύμητα σήματα είναι αυτό που οι αστρονόμοι ονομάζουν «θόρυβο» και μπορούν να υπερνικήσουν τα αμυδρά σήματα που προσπαθεί να ανιχνεύσει το Webb.
Μετά την εκτόξευση, ο Webb θα αναπτύξει ένα προστατευτικό κάλυμμα μεγέθους γηπέδου τένις που θα προστατεύει το MIRI και άλλα όργανα από τη θερμότητα του ήλιου, επιτρέποντάς τους να ψύχονται παθητικά. Ξεκινώντας περίπου 77 ημέρες μετά την εκτόξευση, ο κρυοψύκτης του MIRI θα χρειαστεί 19 ημέρες για να μειώσει τη θερμοκρασία των ανιχνευτών του οργάνου κάτω από τους 7 βαθμούς Κέλβιν.
«Είναι σχετικά εύκολο να ψύξουμε πράγματα σε αυτή τη θερμοκρασία στη Γη, συχνά για επιστημονικές ή βιομηχανικές εφαρμογές», δήλωσε ο Konstantin Penanen, ειδικός σε κρυοψύκτες στο Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA στη Νότια Καλιφόρνια, το οποίο διαχειρίζεται το όργανο MIRI για τη NASA. «Αλλά αυτά τα συστήματα που βασίζονται στη Γη είναι πολύ ογκώδη και ενεργειακά αναποτελεσματικά. Για ένα διαστημικό παρατηρητήριο, χρειαζόμαστε ένα ψυγείο που να είναι φυσικά συμπαγές, ενεργειακά αποδοτικό και να είναι εξαιρετικά αξιόπιστο, επειδή δεν μπορούμε να βγούμε έξω και να το επισκευάσουμε. Αυτές είναι λοιπόν οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε. Από αυτή την άποψη, θα έλεγα ότι οι κρυοψύκτες MIRI βρίσκονται σίγουρα στην πρώτη γραμμή.»
Ένας από τους επιστημονικούς στόχους του Webb είναι να μελετήσει τις ιδιότητες των πρώτων αστεριών που σχηματίστηκαν στο σύμπαν. Η κάμερα εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας του Webb ή το όργανο NIRCam θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτά τα εξαιρετικά μακρινά αντικείμενα και το MIRI θα βοηθήσει τους επιστήμονες να επιβεβαιώσουν ότι αυτές οι αμυδρές πηγές φωτός είναι συστάδες αστεριών πρώτης γενιάς και όχι άστρα δεύτερης γενιάς που σχηματίστηκαν αργότερα στην εξέλιξη ενός γαλαξία.
Εξετάζοντας νέφη σκόνης που είναι παχύτερα από τα όργανα εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας, το MIRI θα αποκαλύψει τις γενέτειρες των αστεριών. Θα ανιχνεύσει επίσης μόρια που βρίσκονται συνήθως στη Γη - όπως νερό, διοξείδιο του άνθρακα και μεθάνιο, καθώς και μόρια βραχωδών ορυκτών όπως πυριτικά άλατα - σε ψυχρά περιβάλλοντα γύρω από κοντινά αστέρια, όπου μπορεί να σχηματιστούν πλανήτες. Τα όργανα εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι καλύτερα στην ανίχνευση αυτών των μορίων ως ατμών σε θερμότερα περιβάλλοντα, ενώ το MIRI μπορεί να τα δει ως πάγο.
«Συνδυάζοντας την αμερικανική και την ευρωπαϊκή τεχνογνωσία, αναπτύξαμε το MIRI ως τη δύναμη του Webb, η οποία θα επιτρέψει σε αστρονόμους από όλο τον κόσμο να απαντήσουν σε μεγάλα ερωτήματα σχετικά με το πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται τα αστέρια, οι πλανήτες και οι γαλαξίες», δήλωσε η Gillian Wright, συν-επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας MIRI και Ευρωπαία Κύρια Ερευνήτρια για το όργανο στο Κέντρο Αστρονομικής Τεχνολογίας του Ηνωμένου Βασιλείου (UK ATC).
Ο κρυοψύκτης MIRI χρησιμοποιεί αέριο ήλιο—αρκετό για να γεμίσει περίπου εννέα μπαλόνια—για να απομακρύνει τη θερμότητα από τους ανιχνευτές του οργάνου. Δύο ηλεκτρικοί συμπιεστές αντλούν ήλιο μέσω ενός σωλήνα που εκτείνεται μέχρι το σημείο όπου βρίσκεται ο ανιχνευτής. Ο σωλήνας διαπερνά ένα μεταλλικό μπλοκ που είναι επίσης προσαρτημένο στον ανιχνευτή. Το ψυχρό ήλιο απορροφά την υπερβολική θερμότητα από το μπλοκ, διατηρώντας τη θερμοκρασία λειτουργίας του ανιχνευτή κάτω από 7 βαθμούς Kelvin. Το θερμαινόμενο (αλλά ακόμα κρύο) αέριο επιστρέφει στη συνέχεια στον συμπιεστή, όπου αποβάλλει την υπερβολική θερμότητα και ο κύκλος ξεκινά από την αρχή. Ουσιαστικά, το σύστημα είναι παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στα οικιακά ψυγεία και τα κλιματιστικά.
Οι σωλήνες που μεταφέρουν ήλιο είναι κατασκευασμένοι από επιχρυσωμένο ανοξείδωτο χάλυβα και έχουν διάμετρο μικρότερη από ένα δέκατο της ίντσας (2,5 mm). Εκτείνεται περίπου 10 μέτρα από τον συμπιεστή που βρίσκεται στην περιοχή του διαστημικού λεωφορείου μέχρι τον ανιχνευτή MIRI στο οπτικό στοιχείο τηλεσκοπίου που βρίσκεται πίσω από τον κύριο κυψελοειδή καθρέφτη του παρατηρητηρίου. Ένα υλικό που ονομάζεται συγκρότημα πτυσσόμενου πύργου, ή DTA, συνδέει τις δύο περιοχές. Όταν συσκευάζεται για εκτόξευση, το DTA συμπιέζεται, λίγο σαν έμβολο, για να βοηθήσει στην εγκατάσταση του αποθηκευμένου παρατηρητηρίου στην προστασία στην κορυφή του πυραύλου. Μόλις βρεθεί στο διάστημα, ο πύργος θα επεκταθεί για να διαχωρίσει τον διαστημικό λεωφορείο σε θερμοκρασία δωματίου από τα ψυχρότερα οπτικά τηλεσκοπικά όργανα και να επιτρέψει στην ηλιοπροστασία και το τηλεσκόπιο να αναπτυχθούν πλήρως.
Αυτή η κινούμενη εικόνα δείχνει την ιδανική εκτέλεση της ανάπτυξης του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb ώρες και ημέρες μετά την εκτόξευση. Η επέκταση του κεντρικού συγκροτήματος πτυσσόμενου πύργου θα αυξήσει την απόσταση μεταξύ των δύο μερών του MIRI. Συνδέονται με ελικοειδή σωλήνες με ψυχρό ήλιο.
Αλλά η διαδικασία επιμήκυνσης απαιτεί την επέκταση του σωλήνα ηλίου με το συγκρότημα επεκτάσιμου πύργου. Έτσι, ο σωλήνας περιελίσσεται σαν ελατήριο, γι' αυτό και οι μηχανικοί της MIRI ονόμασαν αυτό το μέρος του σωλήνα «Slinky».
«Υπάρχουν κάποιες προκλήσεις στην εργασία σε ένα σύστημα που εκτείνεται σε πολλαπλές περιοχές του αστεροσκοπείου», δήλωσε η Analyn Schneider, υπεύθυνη προγράμματος JPL MIRI. «Αυτές οι διαφορετικές περιοχές διευθύνονται από διαφορετικούς οργανισμούς ή κέντρα, συμπεριλαμβανομένων των Northrop Grumman και του Κέντρου Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA των ΗΠΑ, πρέπει να μιλήσουμε με όλους. Δεν υπάρχει άλλο υλικό στο τηλεσκόπιο που να χρειάζεται να το κάνει αυτό, επομένως είναι μια πρόκληση μοναδική για το MIRI. Ήταν σίγουρα μια μακρά ουρά για τον δρόμο των κρυοψυκτών MIRI και είμαστε έτοιμοι να το δούμε στο διάστημα».
Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb θα εκτοξευθεί το 2021 ως το κορυφαίο διαστημικό επιστημονικό παρατηρητήριο στον κόσμο. Το Webb θα ξετυλίξει τα μυστήρια του ηλιακού μας συστήματος, θα κοιτάξει σε μακρινούς κόσμους γύρω από άλλα αστέρια και θα εξερευνήσει τις μυστηριώδεις δομές και την προέλευση του σύμπαντός μας και του τόπου μας. Το Webb είναι μια διεθνής πρωτοβουλία με επικεφαλής τη NASA και τους συνεργάτες της ESA (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος) και τον Καναδικό Οργανισμό Διαστήματος.
Το MIRI αναπτύχθηκε μέσω μιας συνεργασίας 50-50 μεταξύ της NASA και της ESA (Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος). Το JPL ηγείται της προσπάθειας των ΗΠΑ για το MIRI και μια πολυεθνική κοινοπραξία ευρωπαϊκών αστρονομικών ινστιτούτων συνεισφέρει στον ESA. Ο George Rieke του Πανεπιστημίου της Αριζόνα είναι ο επικεφαλής της επιστημονικής ομάδας του MIRI στις ΗΠΑ. Η Gillian Wright είναι επικεφαλής της ευρωπαϊκής επιστημονικής ομάδας του MIRI.
Ο Alistair Glasse της ATC, Ηνωμένο Βασίλειο, είναι Επιστήμονας Οργάνων MIRI και ο Michael Ressler είναι Επιστήμονας Έργου των ΗΠΑ στο JPL. Ο Laszlo Tamas της ATC του Ηνωμένου Βασιλείου διευθύνει την Ευρωπαϊκή Ένωση. Η ανάπτυξη του κρυοψύκτη MIRI διευθύνθηκε και πραγματοποιήθηκε από την JPL σε συνεργασία με το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA στο Greenbelt του Μέριλαντ και την Northrop Grumman στο Redondo Beach της Καλιφόρνια.