Enxeñeiros realizan unha "receptación" do instrumento de infravermello medio do Telescopio Espacial James Webb no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA despois de saír do Reino Unido.
Os técnicos de voo do JPL Johnny Melendez (dereita) e Joe Mora inspeccionan o criorrefrigerador MIRI antes de envialo a Northrop Grumman en Redondo Beach, California. Alí, o refrigerador está conectado ao corpo do telescopio Webb.
Esta parte do instrumento MIRI, vista no Laboratorio Appleton en Rutherford, Reino Unido, contén detectores de infravermellos. O criorrefrixerador está situado lonxe do detector porque funciona a unha temperatura máis alta. Un tubo que transporta helio frío conecta as dúas seccións.
O MIRI (esquerda) está situado sobre unha barra de equilibrio en Northrop Grumman, en Redondo Beach, mentres os enxeñeiros se preparan para usar unha grúa para conectalo ao Módulo de Instrumentos Científicos Integrados (ISIM). O ISIM é o núcleo de Webb, os catro instrumentos científicos que albergan o telescopio.
Antes de que o instrumento MIRI (un dos catro instrumentos científicos do observatorio) poida funcionar, debe arrefriarse ata case a temperatura máis fría que pode alcanzar a materia.
O telescopio espacial James Webb da NASA, cuxo lanzamento está previsto para o 24 de decembro, é o maior observatorio espacial da historia e ten unha tarefa igualmente desalentadora: recoller luz infravermella de recunchos remotos do universo, o que permitirá aos científicos investigar a estrutura e as orixes do universo. O noso universo e o noso lugar nel.
Moitos obxectos cósmicos, incluídas estrelas e planetas, así como o gas e o po dos que se forman, emiten luz infravermella, ás veces chamada radiación térmica. Pero tamén o fan a maioría dos outros obxectos quentes, como as torradoras, os humanos e os aparellos electrónicos. Iso significa que os catro instrumentos infravermellos de Webb poden detectar a súa propia luz infravermella. Para reducir estas emisións, o instrumento debe estar moi frío: uns 40 Kelvin, ou menos 388 graos Fahrenheit (menos 233 graos Celsius). Pero para funcionar correctamente, os detectores dentro do instrumento de infravermello medio, ou MIRI, deben arrefriarse: por debaixo de 7 Kelvin (menos 448 graos Fahrenheit, ou menos 266 graos Celsius).
Iso está a só uns poucos graos por riba do cero absoluto (0 Kelvin), a temperatura máis fría teoricamente posible, aínda que nunca se pode alcanzar fisicamente porque representa a ausencia completa de calor (non obstante, o MIRI non é o instrumento de imaxe máis frío que funciona no espazo).
A temperatura é esencialmente unha medida da velocidade á que se moven os átomos e, ademais de detectar a súa propia luz infravermella, os detectores Webb poden activarse polas súas propias vibracións térmicas. O MIRI detecta luz nun rango de enerxía inferior ao dos outros tres instrumentos. Como resultado, os seus detectores son máis sensibles ás vibracións térmicas. Estes sinais non desexados son o que os astrónomos chaman "ruído" e poden superar os sinais débiles que Webb está a tentar detectar.
Despois do lanzamento, Webb despregará unha viseira do tamaño dunha pista de tenis que protexe o MIRI e outros instrumentos da calor do sol, permitíndolles arrefriar pasivamente. A partir duns 77 días despois do lanzamento, o crioenfriador do MIRI tardará 19 días en reducir a temperatura dos detectores do instrumento por debaixo dos 7 Kelvin.
«É relativamente doado arrefriar as cousas a esa temperatura na Terra, a miúdo para aplicacións científicas ou industriais», dixo Konstantin Penanen, experto en criorrefrixeradores do Laboratorio de Propulsión a Chorro da NASA no sur de California, que xestiona o instrumento MIRI para a NASA. «Pero eses sistemas terrestres son moi voluminosos e enerxeticamente ineficientes. Para un observatorio espacial, necesitamos un refrixerador que sexa fisicamente compacto, enerxeticamente eficiente e que teña que ser moi fiable porque non podemos saír e arranxalo. Entón, estes son os desafíos aos que nos enfrontamos. Nese sentido, diría que os criorrefrixeradores MIRI están definitivamente na vangarda».
Un dos obxectivos científicos de Webb é estudar as propiedades das primeiras estrelas que se formaron no universo. A cámara de infravermellos próximos de Webb, ou o instrumento NIRCam, poderá detectar estes obxectos extremadamente distantes, e MIRI axudará aos científicos a confirmar que estas fontes de luz tenues son cúmulos de estrelas de primeira xeración, en lugar de estrelas de segunda xeración que se formaron máis tarde na evolución dunha galaxia.
Ao observar nubes de po que son máis grosas que as dos instrumentos de infravermello próximo, MIRI revelará os lugares de nacemento das estrelas. Tamén detectará moléculas que se atopan habitualmente na Terra, como auga, dióxido de carbono e metano, así como moléculas de minerais rochosos como silicatos, nos ambientes fríos arredor das estrelas próximas, onde se poden formar planetas. Os instrumentos de infravermello próximo son mellores para detectar estas moléculas como vapores en ambientes máis cálidos, mentres que MIRI pode velas como xeo.
«Ao combinar a experiencia estadounidense e europea, desenvolvemos MIRI como a potencia de Webb, que permitirá aos astrónomos de todo o mundo responder a grandes preguntas sobre como se forman e evolucionan as estrelas, os planetas e as galaxias», afirmou Gillian Wright, colíder do equipo científico de MIRI e investigadora principal europea do instrumento no Centro de Tecnoloxía Astronómica do Reino Unido (UK ATC).
O crioenfriador MIRI usa gas helio (abonda para encher uns nove globos de festa) para transportar a calor lonxe dos detectores do instrumento. Dous compresores eléctricos bombean helio a través dun tubo que se estende ata onde se atopa o detector. O tubo atravesa un bloque de metal que tamén está unido ao detector; o helio arrefriado absorbe o exceso de calor do bloque, mantendo a temperatura de funcionamento do detector por debaixo de 7 Kelvin. O gas quentado (pero aínda frío) regresa entón ao compresor, onde expulsa o exceso de calor e o ciclo comeza de novo. Fundamentalmente, o sistema é similar ao que se usa nos frigoríficos e aparellos de aire acondicionado domésticos.
As tubaxes que transportan helio están feitas de aceiro inoxidable chapado en ouro e teñen menos dunha décima de polgada (2,5 mm) de diámetro. Esténdese uns 10 metros desde o compresor situado na zona do bus da nave espacial ata o detector MIRI no elemento do telescopio óptico situado detrás do espello primario en forma de panal do observatorio. Un hardware chamado conxunto de torre despregable, ou DTA, conecta as dúas zonas. Cando se embala para o lanzamento, o DTA comprímese, un pouco como un pistón, para axudar a instalar o observatorio gardado na protección na parte superior do foguete. Unha vez no espazo, a torre estenderase para separar o bus da nave espacial a temperatura ambiente dos instrumentos ópticos máis fríos do telescopio e permitir que o parasol e o telescopio se despreguen completamente.
Esta animación mostra a execución ideal do despregamento do Telescopio Espacial James Webb horas e días despois do lanzamento. A expansión do conxunto da torre central despregable aumentará a distancia entre as dúas partes do MIRI. Están conectadas por tubos helicoidais con helio arrefriado.
Pero o proceso de alongamento require que o tubo de helio se estenda co conxunto da torre expansible. Polo tanto, o tubo enrólase como un resorte, razón pola cal os enxeñeiros de MIRI alcumaron esta parte do tubo "Slinky".
«Hai algúns desafíos ao traballar nun sistema que abrangue varias rexións do observatorio», dixo Analyn Schneider, xestora do programa MIRI do JPL. «Estas diferentes rexións están dirixidas por diferentes organizacións ou centros, incluíndo Northrop Grumman e o Goddard Space Flight Center da NASA estadounidense; temos que falar con todos. Non hai ningún outro hardware no telescopio que precise facelo, polo que é un desafío exclusivo do MIRI. Definitivamente, foi unha longa lista para o camiño dos crioenfriadores do MIRI, e estamos listos para velo no espazo».
O telescopio espacial James Webb lanzarase en 2021 como o principal observatorio de ciencia espacial do mundo. Webb desentrañará os misterios do noso sistema solar, observará mundos distantes arredor doutras estrelas e explorará as estruturas e orixes misteriosas do noso universo e do noso lugar. Webb é unha iniciativa internacional liderada pola NASA e os seus socios, a ESA (Axencia Espacial Europea) e a Axencia Espacial Canadense.
MIRI desenvolveuse a través dunha colaboración ao 50% entre a NASA e a ESA (Axencia Espacial Europea). O JPL lidera o esforzo estadounidense para MIRI e un consorcio multinacional de institutos astronómicos europeos contribúe á ESA. George Rieke, da Universidade de Arizona, é o xefe do equipo científico estadounidense de MIRI. Gillian Wright é a xefa do equipo científico europeo de MIRI.
Alistair Glasse, do ATC (Reino Unido), é científico de instrumentos MIRI e Michael Ressler é científico de proxectos estadounidenses no JPL. Laszlo Tamas, do ATC (Reino Unido), está a cargo da Unión Europea. O desenvolvemento do criorrefrixerador MIRI foi dirixido e xestionado polo JPL en colaboración co Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA en Greenbelt (Maryland) e Northrop Grumman en Redondo Beach (California).