Insinöörit suorittavat James Webb -avaruusteleskoopin keski-infrapuna-alueen instrumentin "vastaanottotilaisuuden" NASAn Goddard Space Flight Centerissä lähdettyään Isosta-Britanniasta.
JPL:n lentoteknikot Johnny Melendez (oikealla) ja Joe Mora tarkastavat MIRI-kryojäähdyttimen ennen sen lähettämistä Northrop Grummanille Redondo Beachille Kaliforniaan. Siellä jäähdytin on kiinnitetty Webb-teleskoopin runkoon.
Tämä MIRI-instrumentin osa, joka on nähtävissä Appletonin laboratoriossa Rutherfordissa, Isossa-Britanniassa, sisältää infrapunailmaisimia. Kryojäähdytin sijaitsee erillään ilmaisimesta, koska se toimii korkeammassa lämpötilassa. Kylmää heliumia kuljettava putki yhdistää nämä kaksi osaa.
MIRI (vasemmalla) on vaa'anvarressa Northrop Grummanilla Redondo Beachillä, kun insinöörit valmistautuvat kiinnittämään sen siltanosturilla integroituun tieteelliseen instrumenttimoduuliin (ISIM). ISIM on Webbin ydin, neljä tieteellistä instrumenttia, joissa teleskooppi sijaitsee.
Ennen kuin MIRI-instrumentti – yksi observatorion neljästä tieteellisestä instrumentista – voi toimia, se on jäähdytettävä lähes kylmimpään lämpötilaan, jonka aine voi saavuttaa.
NASAn James Webb -avaruusteleskooppi, jonka on määrä laukaista 24. joulukuuta, on historian suurin avaruusobservatorio, ja sillä on yhtä haastava tehtävä: kerätä infrapunavaloa maailmankaikkeuden kaukaisimmista kolkista, jotta tiedemiehet voivat tutkia maailmankaikkeuden rakennetta ja alkuperää – maailmankaikkeuttamme ja paikkaamme siinä.
Monet kosmiset kohteet – mukaan lukien tähdet ja planeetat sekä niiden muodostama kaasu ja pöly – lähettävät infrapunavaloa, jota joskus kutsutaan lämpösäteilyksi. Mutta niin tekevät useimmat muutkin lämpimät kohteet, kuten leivänpaahtimet, ihmiset ja elektroniikka. Tämä tarkoittaa, että Webbin neljä infrapunainstrumenttia voivat havaita oman infrapunavalonsa. Näiden päästöjen vähentämiseksi instrumentin on oltava erittäin kylmä – noin 40 kelviniä eli -388 Fahrenheit-astetta (-233 celsiusastetta). Mutta toimiakseen oikein keski-infrapunainstrumentin eli MIRI:n sisällä olevien ilmaisimien on kylmenevä: alle 7 kelviniä (-448 Fahrenheit-astetta eli -266 celsiusastetta).
Se on vain muutaman asteen absoluuttisen nollapisteen (0 kelviniä) yläpuolella – kylmin teoreettisesti mahdollinen lämpötila, vaikka se ei ole koskaan fyysisesti saavutettavissa, koska se edustaa lämmön täydellistä puuttumista. (MIRI ei kuitenkaan ole kylmin avaruudessa toimiva kuvantamislaite.)
Lämpötila on pohjimmiltaan mitta siitä, kuinka nopeasti atomit liikkuvat, ja oman infrapunavalon havaitsemisen lisäksi Webb-ilmaisimet voivat laukaista itsensä niiden omien lämpövärähtelyjen avulla. MIRI havaitsee valoa alemmalla energia-alueella kuin kolme muuta instrumenttia. Tämän seurauksena sen ilmaisimet ovat herkempiä lämpövärähtelyille. Nämä ei-toivotut signaalit ovat sitä, mitä tähtitieteilijät kutsuvat "kohinaksi", ja ne voivat peittää alleen Webbin havaitsemat heikot signaalit.
Laukaisun jälkeen Webb ottaa käyttöön tenniskentän kokoisen visiirin, joka suojaa MIRIä ja muita instrumentteja auringon lämmöltä ja mahdollistaa niiden passiivisen jäähtymisen. Noin 77 päivää laukaisun jälkeen MIRIn kryojäähdytin laskee instrumentin ilmaisimien lämpötilan alle 7 kelviniin 19 päivässä.
”Maan päällä on suhteellisen helppo jäähdyttää asioita tuohon lämpötilaan, usein tieteellisiä tai teollisia sovelluksia varten”, sanoo Konstantin Penanen, kryojäähdytinasiantuntija NASAn Jet Propulsion Laboratoryssa Etelä-Kaliforniassa, joka hallinnoi NASAn MIRI-instrumenttia. ”Mutta nämä maapallolla toimivat järjestelmät ovat erittäin kookkaita ja energiatehottomia. Avaruusobservatorioon tarvitsemme jäähdyttimen, joka on fyysisesti kompakti, energiatehokas ja jonka on oltava erittäin luotettava, koska emme voi mennä korjaamaan sitä. Nämä ovat siis kohtaamiamme haasteita.” Tässä suhteessa sanoisin, että MIRI-kryojäähdyttimet ovat ehdottomasti eturintamassa.
Yksi Webbin tieteellisistä tavoitteista on tutkia maailmankaikkeudessa muodostuneiden ensimmäisten tähtien ominaisuuksia. Webbin lähi-infrapunakamera eli NIRCam-instrumentti pystyy havaitsemaan nämä erittäin kaukaiset kohteet, ja MIRI auttaa tiedemiehiä vahvistamaan, että nämä himmeät valonlähteet ovat ensimmäisen sukupolven tähtijoukkoja eivätkä toisen sukupolven tähtiä, jotka muodostuivat myöhemmin galaksin kehityksessä.
Tarkastelemalla lähi-infrapuna-instrumentteja paksumpia pölypilviä MIRI paljastaa tähtien syntymäpaikat. Se havaitsee myös Maassa yleisesti esiintyviä molekyylejä – kuten vettä, hiilidioksidia ja metaania – sekä kivisten mineraalien molekyylejä, kuten silikaatteja – lähellä olevien tähtien ympärillä olevissa viileissä ympäristöissä, joissa planeettoja voi muodostua. Lähi-infrapuna-instrumentit havaitsevat nämä molekyylit paremmin höyryinä kuumemmissa ympäristöissä, kun taas MIRI voi nähdä ne jäänä.
”Yhdistämällä yhdysvaltalaisen ja eurooppalaisen asiantuntemuksen olemme kehittäneet MIRIn Webbin voimana, jonka avulla tähtitieteilijät ympäri maailmaa voivat vastata suuriin kysymyksiin tähtien, planeettojen ja galaksien muodostumisesta ja kehityksestä”, sanoi Gillian Wright, MIRI-tiederyhmän toinen johtaja ja instrumentin eurooppalainen päätutkija Ison-Britannian tähtitieteellisen teknologiakeskuksen (UK ATC) toimistossa.
MIRI-kryojäähdytin käyttää heliumkaasua – riittävästi noin yhdeksän juhlailmapallon täyttämiseen – lämmön siirtämiseen pois laitteen ilmaisimista. Kaksi sähkökompressoria pumppaa heliumia putken läpi, joka ulottuu ilmaisimen sijaintipaikkaan. Putki kulkee metallikappaleen läpi, joka on myös kiinnitetty ilmaisimeen; jäähtynyt helium imee ylimääräistä lämpöä kappaleesta pitäen ilmaisimen käyttölämpötilan alle 7 kelvinissä. Lämmitetty (mutta silti kylmä) kaasu palaa sitten kompressoriin, jossa se poistaa ylimääräisen lämmön, ja sykli alkaa alusta. Pohjimmiltaan järjestelmä on samanlainen kuin kotitalouksien jääkaapeissa ja ilmastointilaitteissa käytetty järjestelmä.
Heliumia kuljettavat putket on valmistettu kullatusta ruostumattomasta teräksestä, ja niiden halkaisija on alle 2,5 mm. Ne ulottuvat noin 10 metriä avaruusaluksen väyläalueella sijaitsevasta kompressorista MIRI-ilmaisimeen optisessa teleskooppielementissä, joka sijaitsee observatorion hunajakennomaisen pääpeilin takana. Nämä kaksi aluetta yhdistää laitteisto, jota kutsutaan avattavaksi tornikokoonpanoksi eli DTA:ksi. Laukaisua varten pakattuna DTA puristetaan kokoon, vähän kuin mäntä, jotta säilytystilassa oleva observatorio voidaan asentaa raketin päällä olevaan suojaan. Avaruudessa torni laajenee erottaen huoneenlämmössä olevan avaruusalusväylän viileämmistä optisista teleskooppilaitteista ja mahdollistaen aurinkosuojan ja teleskoopin täyden avautumisen.
Tämä animaatio näyttää James Webb -avaruusteleskoopin ihanteellisen käyttöönoton tunteja ja päiviä laukaisun jälkeen. Keskeisen avattavan tornikokoonpanon laajennus lisää MIRI:n kahden osan välistä etäisyyttä. Ne on yhdistetty kierreputkilla, joissa on jäähdytettyä heliumia.
Mutta pidennysprosessi vaatii heliumputken pidentämisen laajenevan tornikokoonpanon avulla. Niinpä putki kiertyy kuin jousi, minkä vuoksi MIRI-insinöörit antoivat tälle putken osalle lempinimen "Slinky".
”Useita observatorion alueita kattavan järjestelmän parissa työskentelyssä on joitakin haasteita”, sanoi JPL MIRI -ohjelman päällikkö Analyn Schneider. ”Näitä eri alueita johtavat eri organisaatiot tai keskukset, kuten Northrop Grumman ja Yhdysvaltain NASAn Goddard Space Flight Center, ja meidän on keskusteltava kaikkien kanssa. Teleskoopissa ei ole muuta laitteistoa, jonka tarvitsisi tehdä niin, joten se on MIRIlle ainutlaatuinen haaste. MIRI-kryojäähdyttimien tiellä on ehdottomasti ollut pitkä jono, ja olemme valmiita näkemään sen avaruudessa.”
James Webb -avaruusteleskooppi laukaistaan ​​vuonna 2021 maailman johtavana avaruustieteen observatoriona. Webb selvittää aurinkokuntamme mysteerejä, tutkii kaukaisia ​​maailmoja muiden tähtien ympärillä ja tutkii maailmankaikkeutemme ja paikkamme salaperäisiä rakenteita ja alkuperää. Webb on NASAn ja sen kumppaneiden ESA:n (Euroopan avaruusjärjestö) ja Kanadan avaruusjärjestön johtama kansainvälinen aloite.
MIRI kehitettiin NASAn ja ESA:n (Euroopan avaruusjärjestö) 50-50-kumppanuuden kautta. JPL johtaa Yhdysvaltojen MIRI-hanketta, ja monikansallinen eurooppalaisten tähtitieteellisten laitosten yhteenliittymä osallistuu ESA:n toimintaan. Arizonan yliopiston George Rieke on MIRI:n Yhdysvaltain tiedetiimin johtaja. Gillian Wright on MIRI:n eurooppalaisen tiedetiimin johtaja.
Alistair Glasse ATC:stä, Isosta-Britanniasta, on MIRI:n instrumenttitutkija ja Michael Ressler on Yhdysvaltain projektitutkija JPL:ssä. Laszlo Tamas Ison-Britannian ATC:stä johtaa Euroopan unionia. MIRI-kryojäähdyttimen kehitystä johti ja hallinnoi JPL yhteistyössä NASA:n Goddard Space Flight Centerin kanssa Greenbeltissä, Marylandissa, ja Northrop Grummanin kanssa Redondo Beachillä, Kaliforniassa.