Insenerid viivad NASA Goddardi kosmoselennukeskuses pärast Ühendkuningriigist lahkumist läbi James Webbi kosmoseteleskoobi keskmise infrapunakiirguse instrumendi "vastuvõtu".
JPL-i lennutehnikud Johnny Melendez (paremal) ja Joe Mora kontrollivad MIRI krüojahutit enne selle saatmist Northrop Grummanisse Redondo Beachis Californias. Seal on jahuti kinnitatud Webbi teleskoobi kere külge.
See MIRI instrumendi osa, mida on näha Appletoni laboris Rutherfordis Ühendkuningriigis, sisaldab infrapunadetektoreid. Krüojahuti asub detektorist eemal, kuna see töötab kõrgemal temperatuuril. Kahte sektsiooni ühendab külma heeliumi juhtiv toru.
MIRI (vasakul) asub Redondo Beachis Northrop Grummani tasakaalutalal, samal ajal kui insenerid valmistuvad selle kinnitamiseks integreeritud teaduslike instrumentide mooduli (ISIM) külge sillakraana abil. ISIM on Webbi tuum – neli teadusinstrumenti, milles teleskoop asub.
Enne kui MIRI instrument – ​​üks neljast observatooriumi teadusinstrumendist – tööle saab, tuleb see jahutada peaaegu madalaima temperatuurini, milleni aine suudab jõuda.
NASA James Webbi kosmoseteleskoop, mis peaks startima 24. detsembril, on ajaloo suurim kosmoseobservatoorium ning sellel on sama keeruline ülesanne: koguda infrapunavalgust universumi kaugeimatest nurkadest, võimaldades teadlastel uurida universumi struktuuri ja päritolu. Meie universum ja meie koht selles.
Paljud kosmilised objektid – sealhulgas tähed ja planeedid ning gaas ja tolm, millest need moodustuvad – kiirgavad infrapunavalgust, mida mõnikord nimetatakse termiliseks kiirguseks. Kuid sama teevad ka enamik teisi sooje objekte, näiteks rösterid, inimesed ja elektroonika. See tähendab, et Webbi neli infrapunainstrumenti suudavad tuvastada omaenda infrapunavalgust. Nende kiirguste vähendamiseks peab instrument olema väga külm – umbes 40 kelvinit ehk miinus 388 kraadi Fahrenheiti (miinus 233 kraadi Celsiuse järgi). Kuid korralikuks toimimiseks peavad keskmise infrapunainstrumendi ehk MIRI sees olevad detektorid langema külmemaks: alla 7 kelvini (miinus 448 kraadi Fahrenheiti ehk miinus 266 kraadi Celsiuse järgi).
See on vaid paar kraadi üle absoluutse nulli (0 kelvinit) – teoreetiliselt võimalik madalaim temperatuur, kuigi see pole kunagi füüsiliselt saavutatav, kuna see esindab igasuguse soojuse täielikku puudumist. (MIRI ei ole siiski kõige külmem kosmoses töötav pildistamisinstrument.)
Temperatuur on sisuliselt aatomite liikumiskiiruse mõõt ja lisaks oma infrapunakiirguse tuvastamisele saavad Webbi detektorid käivituda ka nende endi termiliste vibratsioonide abil. MIRI tuvastab valgust madalamas energiavahemikus kui ülejäänud kolm instrumenti. Seetõttu on selle detektorid termiliste vibratsioonide suhtes tundlikumad. Neid soovimatuid signaale nimetavad astronoomid "müraks" ja need võivad summutada nõrku signaale, mida Webb üritab tuvastada.
Pärast starti paigaldab Webb tenniseväljaku suuruse visiiri, mis kaitseb MIRI-d ja teisi instrumente päikesesoojuse eest, võimaldades neil passiivselt jahtuda. Umbes 77 päeva pärast starti kulub MIRI krüojahutil instrumendi detektorite temperatuuri alandamiseks alla 7 kelvini 19 päeva.
„Maal on suhteliselt lihtne asju sellisele temperatuurile jahutada, sageli teaduslike või tööstuslike rakenduste jaoks,“ ütles Konstantin Penanen, krüojahutite ekspert NASA Lõuna-Californias asuvas reaktiivmootorite laboris, mis haldab NASA MIRI instrumenti. „Kuid need Maa-põhised süsteemid on väga mahukad ja energiasäästlikud. Kosmoseobservatooriumi jaoks vajame jahutit, mis on füüsiliselt kompaktne, energiasäästlik ja see peab olema väga töökindel, sest me ei saa seda ise parandada. Seega on need väljakutsed, millega me silmitsi seisame. Selles osas ütleksin, et MIRI krüojahutid on kindlasti esirinnas.“
Üks Webbi teaduslikest eesmärkidest on uurida universumis tekkinud esimeste tähtede omadusi. Webbi lähiinfrapunakaamera ehk NIRCam-instrument suudab tuvastada neid äärmiselt kaugeid objekte ning MIRI aitab teadlastel kinnitada, et need nõrgad valgusallikad on pigem esimese põlvkonna tähtede parved kui teise põlvkonna tähed, mis tekkisid galaktikate evolutsiooni hilisemas etapis.
Lähiinfrapunakiirguse instrumentidest paksemate tolmupilvede uurimise abil paljastab MIRI tähtede sünnikohad. See tuvastab ka Maal tavaliselt leiduvaid molekule – nagu vesi, süsinikdioksiid ja metaan –, aga ka kivimimineraalide, näiteks silikaatide molekule – lähedalasuvate tähtede ümbritsevas jahedas keskkonnas, kus võivad tekkida planeedid. Lähiinfrapunakiirguse instrumendid on nende molekulide tuvastamisel kuumemas keskkonnas aurudena paremad, samas kui MIRI näeb neid jääks.
„USA ja Euroopa asjatundlikkuse ühendamise abil oleme arendanud MIRI kui Webbi võimsuse, mis võimaldab astronoomidel üle kogu maailma vastata olulistele küsimustele tähtede, planeetide ja galaktikate tekke ja arengu kohta,“ ütles Gillian Wright, MIRI teadusmeeskonna kaasjuht ja instrumendi Euroopa juhtivteadur Ühendkuningriigi Astronoomiatehnoloogia Keskuses (UK ATC).
MIRI krüojahuti kasutab heeliumgaasi – millest piisaks umbes üheksa peoõhupalli täitmiseks –, et juhtida soojust instrumendi detektoritest eemale. Kaks elektrilist kompressorit pumpavad heeliumi läbi toru, mis ulatub detektori asukohta. Toru läbib metallplokki, mis on samuti detektori külge kinnitatud; jahtunud heelium neelab plokist liigse soojuse, hoides detektori töötemperatuuri alla 7 kelvini. Seejärel naaseb kuumutatud (kuid siiski külm) gaas kompressorisse, kus see liigse soojuse välja juhib, ja tsükkel algab uuesti. Põhimõtteliselt sarnaneb süsteem kodumajapidamises kasutatavate külmikute ja kliimaseadmetega.
Heeliumi vedavad torud on valmistatud kullatud roostevabast terasest ja nende läbimõõt on alla 2,5 mm (üks kümnendik tolli). Need ulatuvad umbes 10 meetrit (30 jalga) kosmoselaeva bussi piirkonnas asuvast kompressorist kuni MIRI detektorini optilise teleskoobi elemendis, mis asub observatooriumi kärgstruktuurilise peamise peegli taga. Riistvara, mida nimetatakse lahtikäivaks tornikomplektiks ehk DTA-ks, ühendab neid kahte piirkonda. Stardiks pakituna surutakse DTA kokku, natuke nagu kolb, et aidata paigutatud observatooriumi paigaldada raketi peal olevasse kaitsesse. Kosmoses olles ulatub torn välja, et eraldada toatemperatuuril olev kosmoselaeva buss jahedamatest optilistest teleskoobi instrumentidest ning võimaldada päikesesirmil ja teleskoobil täielikult avaneda.
See animatsioon näitab James Webbi kosmoseteleskoobi ideaalset kasutuselevõttu tunde ja päevi pärast starti. Keskse avatava tornikomplekti laiendamine suurendab MIRI kahe osa vahelist kaugust. Need on ühendatud jahutatud heeliumiga spiraalsete torudega.
Kuid pikendusprotsess nõuab heeliumitoru pikendamist laiendatava tornikomplektiga. Seega toru kerib nagu vedru, mistõttu MIRI insenerid panid sellele toru osale hüüdnimeks „Slinky“.
„Mitme observatooriumi piirkonda hõlmava süsteemi kallal töötamisel on teatud väljakutseid,“ ütles JPL MIRI programmi juht Analyn Schneider. „Neid erinevaid piirkondi juhivad erinevad organisatsioonid või keskused, sealhulgas Northrop Grumman ja USA NASA Goddardi kosmoselennukeskus, peame kõigiga rääkima. Teleskoobil pole muud riistvara, mis seda tegema peaks, seega on see MIRI-le ainuomane väljakutse. MIRI krüojahutite loomiseni on kindlasti pikk tee olnud ja me oleme valmis seda kosmoses nägema.“
James Webbi kosmoseteleskoop stardib 2021. aastal maailma juhtiva kosmoseteaduse observatooriumina. Webb harutab lahti meie päikesesüsteemi saladusi, uurib teiste tähtede ümber asuvaid kaugeid maailmu ning meie universumi ja meie paiga salapäraseid struktuure ja päritolu. Webb on rahvusvaheline algatus, mida juhivad NASA ja selle partnerid ESA (Euroopa Kosmoseagentuur) ja Kanada Kosmoseagentuur.
MIRI töötati välja NASA ja ESA (Euroopa Kosmoseagentuur) 50-50 partnerluse tulemusena. JPL juhib USA MIRI-alaseid jõupingutusi ja ESA-le panustab Euroopa astronoomiainstituutide rahvusvaheline konsortsium. Arizona Ülikooli George Rieke on MIRI USA teadusrühma juht. Gillian Wright on MIRI Euroopa teadusrühma juht.
Alistair Glasse Ühendkuningriigi lennujuhtimiskeskusest on MIRI instrumentideadlane ja Michael Ressler on USA projektiteadlane JPL-is. Laszlo Tamas Ühendkuningriigi lennujuhtimiskeskusest vastutab Euroopa Liidu eest. MIRI krüojahuti väljatöötamist juhtis ja haldas JPL koostöös NASA Goddardi kosmoselennukeskusega Greenbeltis Marylandis ja Northrop Grummaniga Redondo Beachis Californias.