Los ingenieros realizan una “aceptación” del instrumento de infrarrojo medio del telescopio espacial James Webb en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA después de partir del Reino Unido.
Los técnicos de vuelo del JPL, Johnny Meléndez (derecha) y Joe Mora inspeccionan el crioenfriador MIRI antes de enviarlo a Northrop Grumman en Redondo Beach, California. Allí, el enfriador está conectado al cuerpo del telescopio Webb.
Esta parte del instrumento MIRI, vista en el Laboratorio Appleton en Rutherford, Reino Unido, contiene detectores infrarrojos. El crioenfriador está ubicado lejos del detector porque opera a una temperatura más alta. Un tubo que transporta helio frío conecta las dos secciones.
MIRI (izquierda) se sienta en una viga de equilibrio en Northrop Grumman en Redondo Beach mientras los ingenieros se preparan para usar una grúa aérea para conectarlo al Módulo de Instrumentos Científicos Integrados (ISIM). El ISIM es el núcleo del Webb, los cuatro instrumentos científicos que albergan el telescopio.
Antes de que el instrumento MIRI, uno de los cuatro instrumentos científicos del observatorio, pueda funcionar, debe enfriarse a casi la temperatura más fría que la materia puede alcanzar.
El telescopio espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para el 24 de diciembre, es el mayor observatorio espacial de la historia y tiene una tarea igualmente abrumadora: 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, y el gas y el polvo que los forman, emiten luz infrarroja, a veces llamada radiación térmica. Pero también lo hacen la mayoría de los otros objetos cálidos, como las tostadoras, los humanos y los dispositivos electrónicos. Eso significa que los cuatro instrumentos infrarrojos del Webb pueden detectar su propia luz infrarroja. Para reducir estas emisiones, el instrumento debe ser muy frío, alrededor de 40 Kelvin, o menos 388 grados Fahrenheit (menos 233 grados Celsius). Pero para funcionar correctamente, los detectores dentro del instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, deben enfriarse: por debajo de 7 Kelvin (menos 448 grados Fahrenheit, o menos 266 grados Celsius).
Eso es sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto (0 Kelvin), la temperatura más fría teóricamente posible, aunque nunca es físicamente alcanzable porque representa la ausencia completa 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 qué tan rápido se mueven los átomos y, además de detectar su propia luz infrarroja, los detectores 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 abrumar las señales débiles que Webb está tratando de detectar.
Después del lanzamiento, Webb desplegará una visera del tamaño de una cancha de tenis que protegerá a MIRI y otros instrumentos del calor del sol, lo que les permitirá enfriarse pasivamente. Aproximadamente 77 días después del lanzamiento, el crioenfriador de MIRI tardará 19 días en reducir la temperatura de los detectores del instrumento a menos de 7 Kelvin.
“Es relativamente fácil enfriar objetos a esa temperatura en la Tierra, a menudo para aplicaciones científicas o industriales”, afirmó Konstantin Penanen, experto en crioenfriadores 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 energéticamente ineficientes. Para un observatorio espacial, necesitamos un enfriador compacto, energéticamente eficiente y altamente confiable, ya que no podemos repararlo. Estos son los desafíos que enfrentamos. En ese sentido, diría que los crioenfriadores MIRI están definitivamente a la vanguardia”.
Uno de los objetivos científicos de Webb es estudiar las propiedades de las primeras estrellas que se formaron en el universo. La cámara de infrarrojo cercano de Webb o el instrumento NIRCam podrá detectar estos objetos extremadamente distantes, y MIRI ayudará a los científicos a confirmar que estas tenues 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 espesas que 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 alrededor de las estrellas cercanas, donde pueden formarse planetas. Los instrumentos de infrarrojo cercano son mejores para detectar estas moléculas como vapores en entornos más cálidos, mientras que MIRI puede verlas como hielo.
“Al combinar la experiencia estadounidense y europea, hemos desarrollado MIRI como el poder del Webb, que permitirá a los astrónomos de todo el mundo responder 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 crioenfriador MIRI utiliza gas helio (suficiente para llenar aproximadamente nueve globos de fiesta) para alejar 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 pasa por 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) luego 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 acondicionadores de aire 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 extiende 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 en forma de panal del observatorio. El hardware llamado conjunto de torre desplegable, o DTA, conecta las dos áreas. Cuando se empaca 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 frío 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 del lanzamiento. La expansión del conjunto de la torre desplegable central aumentará la distancia entre las dos partes del MIRI. 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 torre expansible, de modo que el tubo se enrolla como un resorte, razón por la cual los ingenieros de MIRI apodaron esta parte del tubo “Slinky”.
“Trabajar en un sistema que abarca varias regiones del observatorio presenta algunos desafíos”, afirmó Analyn Schneider, directora del programa MIRI del JPL. “Estas diferentes regiones están dirigidas por diferentes organizaciones o centros, como Northrop Grumman y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA (EE. UU.); tenemos que hablar con todos. Ningún otro equipo en el telescopio necesita hacerlo, por lo que es un desafío exclusivo de MIRI. Definitivamente, los crioenfriadores de MIRI han sido un largo camino, y estamos listos para verlos en el espacio”.
El telescopio espacial James Webb se lanzará en 2021 como el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb desentrañará 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. Webb es una iniciativa internacional liderada por la NASA y sus socios ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
MIRI se desarrolló a través de una asociación 50-50 entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El JPL lidera el esfuerzo estadounidense para 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 de ATC, Reino Unido, es científico de instrumentos de MIRI y Michael Ressler es científico de proyectos de EE. UU. en JPL. Laszlo Tamas, de ATC del Reino Unido, dirige la Unión Europea. El desarrollo del crioenfriador MIRI fue dirigido y gestionado por JPL en colaboración con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y Northrop Grumman en Redondo Beach, California.