Inženjeri provode "prihvaćanje" instrumenta svemirskog teleskopa James Webb u srednjem infracrvenom području u NASA-inom centru za svemirske letove Goddard nakon polijetanja iz Ujedinjenog Kraljevstva.
Tehničari leta JPL-a Johnny Melendez (desno) i Joe Mora pregledavaju MIRI kriohladnjak prije nego što ga pošalju tvrtki Northrop Grumman u Redondo Beachu u Kaliforniji. Tamo je hladnjak pričvršćen na tijelo Webb teleskopa.
Ovaj dio MIRI instrumenta, viđen u Appleton laboratoriju u Rutherfordu, u Velikoj Britaniji, sadrži infracrvene detektore. Kriohladnjak se nalazi dalje od detektora jer radi na višoj temperaturi. Cijev koja nosi hladni helij spaja dva dijela.
MIRI (lijevo) stoji na gredi za ravnotežu u Northrop Grummanu u Redondo Beachu dok se inženjeri pripremaju upotrijebiti nadzemnu dizalicu kako bi ga pričvrstili na Integrirani znanstveni instrumentni modul (ISIM). ISIM je Webbova jezgra, četiri znanstvena instrumenta u kojima se nalazi teleskop.
Prije nego što MIRI instrument - jedan od četiri znanstvena instrumenta na opservatoriju - može raditi, mora se ohladiti na gotovo najnižu temperaturu koju materija može dosegnuti.
NASA-in svemirski teleskop James Webb, čije je lansiranje planirano za 24. prosinca, najveći je svemirski opservatorij u povijesti i ima jednako zastrašujući zadatak: prikupljati infracrveno svjetlo iz udaljenih kutaka svemira, omogućujući znanstvenicima da istraže strukturu i podrijetlo svemira. Naš svemir i naše mjesto u njemu.
Mnogi kozmički objekti - uključujući zvijezde i planete, te plin i prašinu od kojih nastaju - emitiraju infracrveno svjetlo, ponekad nazvano toplinskim zračenjem. Ali isto vrijedi i za većinu drugih toplih objekata, poput tostera, ljudi i elektronike. To znači da Webbova četiri infracrvena instrumenta mogu detektirati vlastito infracrveno svjetlo. Da bi se smanjile te emisije, instrument mora biti vrlo hladan - oko 40 Kelvina ili minus 388 stupnjeva Fahrenheita (minus 233 stupnja Celzija). Ali da bi ispravno funkcionirali, detektori unutar instrumenta srednjeg infracrvenog područja, ili MIRI, moraju se ohladiti: ispod 7 Kelvina (minus 448 stupnjeva Fahrenheita ili minus 266 stupnjeva Celzija).
To je samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule (0 Kelvina) – najniže teoretski moguće temperature, iako nikada nije fizički dostižna jer predstavlja potpunu odsutnost bilo kakve topline. (Međutim, MIRI nije najhladniji instrument za snimanje koji radi u svemiru.)
Temperatura je u biti mjera brzine kretanja atoma, a osim što detektiraju vlastitu infracrvenu svjetlost, Webb detektore mogu aktivirati i njihove vlastite toplinske vibracije. MIRI detektira svjetlost u nižem energetskom rasponu od ostala tri instrumenta. Kao rezultat toga, njegovi detektori su osjetljiviji na toplinske vibracije. Ti neželjeni signali su ono što astronomi nazivaju "šumom" i mogu nadjačati slabe signale koje Webb pokušava detektirati.
Nakon lansiranja, Webb će postaviti vizir veličine teniskog terena koji štiti MIRI i ostale instrumente od sunčeve topline, omogućujući im pasivno hlađenje. Otprilike 77 dana nakon lansiranja, MIRI-jevom kriohladnjaku će trebati 19 dana da smanji temperaturu detektora instrumenta ispod 7 Kelvina.
„Relativno je lako ohladiti stvari na tu temperaturu na Zemlji, često za znanstvene ili industrijske primjene“, rekao je Konstantin Penanen, stručnjak za kriohladnjake u NASA-inom Laboratoriju za mlazni pogon u Južnoj Kaliforniji, koji upravlja MIRI instrumentom za NASA-u. „Ali ti zemaljski sustavi su vrlo glomazni i energetski neučinkoviti. Za svemirski opservatorij potreban nam je hladnjak koji je fizički kompaktan, energetski učinkovit i mora biti vrlo pouzdan jer ga ne možemo sami popraviti. Dakle, to su izazovi s kojima se suočavamo, u tom smislu, rekao bih da su MIRI kriohladnjaci definitivno u prvom planu.“
Jedan od Webbovih znanstvenih ciljeva je proučavanje svojstava prvih zvijezda koje su nastale u svemiru. Webbova kamera bliskog infracrvenog zračenja ili NIRCam instrument moći će otkriti ove izuzetno udaljene objekte, a MIRI će pomoći znanstvenicima da potvrde da su ti slabi izvori svjetlosti skupovi zvijezda prve generacije, a ne zvijezda druge generacije koje su nastale kasnije u evoluciji galaksije.
Promatrajući oblake prašine koji su gušći od onih koje nude instrumenti bliskog infracrvenog zračenja, MIRI će otkriti mjesta rođenja zvijezda. Također će detektirati molekule koje se obično nalaze na Zemlji - poput vode, ugljikovog dioksida i metana, kao i molekule kamenih minerala poput silikata - u hladnim okruženjima oko obližnjih zvijezda, gdje se mogu formirati planeti. Instrumenti bliskog infracrvenog zračenja bolji su u detekciji ovih molekula kao pare u toplijim okruženjima, dok ih MIRI može vidjeti kao led.
„Kombiniranjem američke i europske stručnosti razvili smo MIRI kao snagu Webba, koja će astronomima iz cijelog svijeta omogućiti da odgovore na velika pitanja o tome kako se zvijezde, planeti i galaksije formiraju i razvijaju“, rekla je Gillian Wright, suvoditeljica znanstvenog tima MIRI i glavna europska istraživačica instrumenta u britanskom Centru za astronomsku tehnologiju (UK ATC).
MIRI kriohladnjak koristi helij - dovoljan za punjenje oko devet balona za zabave - za odvođenje topline s detektora instrumenta. Dva električna kompresora pumpaju helij kroz cijev koja se proteže do mjesta gdje se nalazi detektor. Cijev prolazi kroz metalni blok koji je također pričvršćen za detektor; ohlađeni helij apsorbira višak topline iz bloka, održavajući radnu temperaturu detektora ispod 7 Kelvina. Zagrijani (ali još uvijek hladan) plin zatim se vraća u kompresor, gdje izbacuje višak topline i ciklus počinje iznova. U osnovi, sustav je sličan onome koji se koristi u kućanskim hladnjacima i klima uređajima.
Cijevi koje prenose helij izrađene su od pozlaćenog nehrđajućeg čelika i promjera su manje od jedne desetine inča (2,5 mm). Proteže se oko 10 metara od kompresora smještenog u području sabirnice svemirske letjelice do MIRI detektora u elementu optičkog teleskopa koji se nalazi iza primarnog zrcala opservatorija u obliku saća. Hardver koji se naziva sklopni toranj, ili DTA, povezuje dva područja. Kada se pakira za lansiranje, DTA se komprimira, pomalo poput klipa, kako bi se pomoglo u postavljanju spremljene opservatorije u zaštitu na vrhu rakete. Jednom u svemiru, toranj će se produžiti kako bi odvojio sabirnicu svemirske letjelice sobne temperature od hladnijih optičkih teleskopskih instrumenata i omogućio da se suncobran i teleskop potpuno rasklope.
Ova animacija prikazuje idealnu izvedbu postavljanja svemirskog teleskopa James Webb satima i danima nakon lansiranja. Proširenje središnjeg sklopa rasklopivog tornja povećat će udaljenost između dva dijela MIRI-ja. Povezani su spiralnim cijevima s hlađenim helijem.
Ali proces elongacije zahtijeva da se helijeva cijev produži pomoću sklopa proširivog tornja. Stoga se cijev namotava poput opruge, zbog čega su inženjeri MIRI-ja ovaj dio cijevi prozvali "Slinky".
„Postoje neki izazovi u radu na sustavu koji obuhvaća više regija opservatorija“, rekla je Analyn Schneider, voditeljica programa JPL MIRI. „Ove različite regije vode različite organizacije ili centri, uključujući Northrop Grumman i američki NASA-in Goddard Space Flight Center, moramo razgovarati sa svima. Na teleskopu nema drugog hardvera koji to treba učiniti, tako da je to izazov jedinstven za MIRI. Definitivno je bio dug red za MIRI kriohladnjake, a mi smo spremni vidjeti ga u svemiru.“
Svemirski teleskop James Webb bit će lansiran 2021. godine kao vodeći svjetski opservatorij za svemirsku znanost. Webb će otkriti misterije našeg Sunčevog sustava, pogledati udaljene svjetove oko drugih zvijezda i istražiti tajanstvene strukture i podrijetlo našeg svemira i našeg mjesta. Webb je međunarodna inicijativa koju vode NASA i njezini partneri ESA (Europska svemirska agencija) i Kanadska svemirska agencija.
MIRI je razvijen partnerstvom 50-50 između NASA-e i ESA-e (Europske svemirske agencije). JPL vodi američke napore za MIRI, a multinacionalni konzorcij europskih astronomskih instituta doprinosi ESA-i. George Rieke sa Sveučilišta u Arizoni voditelj je američkog znanstvenog tima MIRI-ja. Gillian Wright voditeljica je europskog znanstvenog tima MIRI-ja.
Alistair Glasse iz ATC-a u Velikoj Britaniji je znanstvenik za instrumente MIRI-ja, a Michael Ressler je američki projektni znanstvenik u JPL-u. Laszlo Tamas iz britanskog ATC-a vodi Europsku uniju. Razvoj kriohladnjaka MIRI vodio je i upravljao JPL u suradnji s NASA-inim centrom za svemirske letove Goddard u Greenbeltu u Marylandu i Northrop Grummanom u Redondo Beachu u Kaliforniji.