Tras su partida del Reino Unido, los ingenieros llevaron a cabo una "recepción" del instrumento de infrarrojo medio del telescopio espacial James Webb en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.
Los técnicos de vuelo del JPL, Johnny Melendez (derecha) y Joe Mora, inspeccionan el criorefrigerador MIRI antes de enviarlo a Northrop Grumman en Redondo Beach, California. Allí, el refrigerador se acopla al cuerpo del telescopio Webb.
Esta parte del instrumento MIRI, que se puede ver en el Laboratorio Appleton en Rutherford, Reino Unido, contiene detectores infrarrojos. El criorefrigerador está ubicado lejos del detector porque funciona a una temperatura más alta. Un tubo que transporta helio frío conecta las dos secciones.
MIRI (izquierda) descansa sobre una viga de equilibrio en Northrop Grumman en Redondo Beach mientras los ingenieros se preparan para usar una grúa aérea para acoplarlo al Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM). El ISIM es el núcleo del telescopio Webb, los cuatro instrumentos científicos que lo albergan.
Antes de que el instrumento MIRI, uno de los cuatro instrumentos científicos del observatorio, pueda funcionar, debe enfriarse hasta alcanzar prácticamente la temperatura más baja que puede llegar a la materia.
El telescopio espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para el 24 de diciembre, es el observatorio espacial más grande de la historia y tiene una tarea igualmente formidable: recolectar luz infrarroja de los rincones más remotos del universo, lo que permitirá a los científicos investigar la estructura y los orígenes del universo, nuestro universo y nuestro lugar en él.
Muchos objetos cósmicos, incluidas las estrellas y los planetas, así como el gas y el polvo que los componen, emiten luz infrarroja, a veces llamada radiación térmica. Pero también lo hacen la mayoría de los demás objetos calientes, como las tostadoras, los seres humanos y los aparatos electrónicos. Esto significa que los cuatro instrumentos infrarrojos del Webb pueden detectar su propia luz infrarroja. Para reducir estas emisiones, el instrumento debe estar muy frío, a unos 40 Kelvin, o -388 grados Fahrenheit (-233 grados Celsius). Pero para funcionar correctamente, los detectores dentro del instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, deben enfriarse aún más: por debajo de 7 Kelvin (-448 grados Fahrenheit, o -266 grados Celsius).
Eso está a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (0 Kelvin), la temperatura más fría teóricamente posible, aunque nunca se puede alcanzar físicamente porque representa la ausencia total de calor. (Sin embargo, MIRI no es el instrumento de imágenes más frío que opera en el espacio).
La temperatura es esencialmente una medida de la velocidad a la que se mueven los átomos, y además de detectar su propia luz infrarroja, los detectores del Webb pueden activarse por sus propias vibraciones térmicas. MIRI detecta luz en un rango de energía más bajo que los otros tres instrumentos. Como resultado, sus detectores son más sensibles a las vibraciones térmicas. Estas señales no deseadas son lo que los astrónomos llaman "ruido", y pueden enmascarar las débiles señales que el Webb intenta detectar.
Tras el lanzamiento, el telescopio Webb desplegará una visera del tamaño de una cancha de tenis que protegerá a MIRI y a otros instrumentos del calor del sol, permitiéndoles enfriarse pasivamente. Aproximadamente 77 días después del lanzamiento, el criorefrigerador de MIRI tardará 19 días en reducir la temperatura de los detectores del instrumento a menos de 7 Kelvin.
“Enfriar objetos a esa temperatura en la Tierra es relativamente fácil, a menudo para aplicaciones científicas o industriales”, dijo Konstantin Penanen, experto en criorefrigeradores del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California, que gestiona el instrumento MIRI para la NASA. “Pero esos sistemas terrestres son muy voluminosos y consumen mucha energía. Para un observatorio espacial, necesitamos un sistema de refrigeración que sea físicamente compacto, energéticamente eficiente y altamente fiable, ya que no podemos salir a repararlo. Estos son los desafíos a los que nos enfrentamos. En ese sentido, diría que los criorefrigeradores de MIRI están definitivamente a la vanguardia”.
Uno de los objetivos científicos del telescopio Webb es estudiar las propiedades de las primeras estrellas que se formaron en el universo. La cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del Webb podrá detectar estos objetos extremadamente distantes, y el instrumento MIRI ayudará a los científicos a confirmar que estas débiles fuentes de luz son cúmulos de estrellas de primera generación, en lugar de estrellas de segunda generación que se formaron más tarde en la evolución de una galaxia.
Al observar nubes de polvo más densas que las que detectan los instrumentos de infrarrojo cercano, MIRI revelará los lugares de nacimiento de las estrellas. También detectará moléculas que se encuentran comúnmente en la Tierra, como agua, dióxido de carbono y metano, así como moléculas de minerales rocosos como los silicatos, en los entornos fríos que rodean a las estrellas cercanas, donde pueden formarse planetas. Los instrumentos de infrarrojo cercano son mejores para detectar estas moléculas como vapores en entornos más calientes, mientras que MIRI puede verlas como hielo.
“Al combinar la experiencia estadounidense y europea, hemos desarrollado MIRI como una potencia comparable a la del telescopio Webb, lo que permitirá a los astrónomos de todo el mundo responder a grandes preguntas sobre cómo se forman y evolucionan las estrellas, los planetas y las galaxias”, dijo Gillian Wright, codirectora del equipo científico de MIRI e investigadora principal europea del instrumento en el Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido (UK ATC).
El criorefrigerador MIRI utiliza gas helio (cantidad suficiente para llenar unos nueve globos de fiesta) para disipar el calor de los detectores del instrumento. Dos compresores eléctricos bombean helio a través de un tubo que se extiende hasta donde se encuentra el detector. El tubo atraviesa un bloque de metal que también está unido al detector; el helio enfriado absorbe el exceso de calor del bloque, manteniendo la temperatura de funcionamiento del detector por debajo de 7 Kelvin. El gas calentado (pero aún frío) regresa al compresor, donde expulsa el exceso de calor, y el ciclo comienza de nuevo. Fundamentalmente, el sistema es similar al que se utiliza en los refrigeradores y aires acondicionados domésticos.
Las tuberías que transportan helio están hechas de acero inoxidable chapado en oro y tienen menos de una décima de pulgada (2,5 mm) de diámetro. Se extienden unos 30 pies (10 metros) desde el compresor ubicado en el área del bus de la nave espacial hasta el detector MIRI en el elemento del telescopio óptico ubicado detrás del espejo primario de panal del observatorio. Un hardware llamado conjunto de torre desplegable, o DTA, conecta las dos áreas. Cuando se empaqueta para el lanzamiento, el DTA se comprime, un poco como un pistón, para ayudar a instalar el observatorio almacenado en la protección en la parte superior del cohete. Una vez en el espacio, la torre se extenderá para separar el bus de la nave espacial a temperatura ambiente de los instrumentos del telescopio óptico más fríos y permitir que el parasol y el telescopio se desplieguen por completo.
Esta animación muestra la ejecución ideal del despliegue del Telescopio Espacial James Webb horas y días después de su lanzamiento. La expansión del conjunto de la torre central desplegable aumentará la distancia entre las dos partes del MIRI. Estas están conectadas por tubos helicoidales con helio refrigerado.
Pero el proceso de elongación requiere que el tubo de helio se extienda con el conjunto de la torre expandible. Así, el tubo se enrolla como un resorte, razón por la cual los ingenieros de MIRI apodaron a esta parte del tubo "Slinky".
“Trabajar en un sistema que abarca múltiples regiones del observatorio presenta algunos desafíos”, afirmó Analyn Schneider, directora del programa MIRI del JPL. “Estas diferentes regiones están dirigidas por distintas organizaciones o centros, como Northrop Grumman y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, por lo que debemos comunicarnos con todos. No hay ningún otro componente del telescopio que requiera esta coordinación, así que se trata de un reto exclusivo de MIRI. Sin duda, el desarrollo de los criorefrigeradores de MIRI ha sido un proceso largo, y estamos listos para verlos en el espacio”.
El telescopio espacial James Webb se lanzará en 2021 como el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb desvelará los misterios de nuestro sistema solar, observará mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es una iniciativa internacional liderada por la NASA y sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
MIRI se desarrolló mediante una colaboración al 50% entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El JPL lidera el proyecto estadounidense de MIRI, y un consorcio multinacional de institutos astronómicos europeos contribuye a la ESA. George Rieke, de la Universidad de Arizona, es el líder del equipo científico estadounidense de MIRI. Gillian Wright es la jefa del equipo científico europeo de MIRI.
Alistair Glasse, del ATC del Reino Unido, es científico de instrumentos del MIRI, y Michael Ressler es científico de proyectos en el JPL de EE. UU. Laszlo Tamas, del ATC del Reino Unido, dirige la Unión Europea. El desarrollo del criorefrigerador MIRI fue liderado y gestionado por el JPL en colaboración con el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y Northrop Grumman en Redondo Beach, California.