A mérnökök a James Webb űrteleszkóp közép-infravörös műszerének „átvételét” végzik a NASA Goddard Űrközpontjában, miután elhagyták az Egyesült Királyságot.
Johnny Melendez (jobbra) és Joe Mora, a JPL repüléstechnikusai megvizsgálják a MIRI kriohűtőt, mielőtt a kaliforniai Redondo Beach-be, a Northrop Grummanhoz szállítanák. Ott a hűtőt a Webb teleszkóp testéhez rögzítik.
A MIRI műszer ezen része, amelyet az Egyesült Királyságban, Rutherfordban található Appleton Laboratóriumban láthatunk, infravörös detektorokat tartalmaz. A kriohűtő a detektortól távol helyezkedik el, mivel magasabb hőmérsékleten működik. Egy hideg héliumot szállító cső köti össze a két részt.
A MIRI (balra) egy gerendán ül a Northrop Grummannál, Redondo Beachen, miközben a mérnökök egy felső daru segítségével készülnek az Integrált Tudományos Műszermodulhoz (ISIM) rögzíteni. Az ISIM a Webb magja, a teleszkópot magában foglaló négy tudományos műszer.
Mielőtt a MIRI műszer – az obszervatórium négy tudományos műszerének egyike – működni tudna, le kell hűteni majdnem a legalacsonyabb hőmérsékletre, amelyet az anyag elérhet.
A NASA James Webb űrteleszkópja, amelynek felbocsátását december 24-én tervezik, a történelem legnagyobb űrmegfigyelő központja, és ugyanolyan nehéz feladattal rendelkezik: infravörös fényt gyűjteni az univerzum távoli szegleteiből, lehetővé téve a tudósok számára, hogy megvizsgálják az univerzum szerkezetét és eredetét – a mi univerzumunkat és a helyünket benne.
Sok kozmikus objektum – beleértve a csillagokat és a bolygókat, valamint az azokat alkotó gázt és port – bocsát ki infravörös fényt, amit néha hősugárzásnak is neveznek. De a legtöbb más meleg objektum is, például a kenyérpirítók, az emberek és az elektronikai eszközök, szintén kibocsátják ezt. Ez azt jelenti, hogy Webb négy infravörös műszere képes érzékelni a saját infravörös fényét. Ezen kibocsátások csökkentése érdekében a műszernek nagyon hidegnek kell lennie – körülbelül 40 Kelvin, azaz mínusz 388 Fahrenheit-fok (mínusz 233 Celsius-fok). Ahhoz azonban, hogy megfelelően működjön, a közép-infravörös műszerben, vagyis a MIRI-ben lévő detektoroknak hidegebbnek kell lenniük: 7 Kelvin (mínusz 448 Fahrenheit-fok, azaz mínusz 266 Celsius-fok) alá.
Ez csupán néhány fokkal az abszolút nulla fok (0 Kelvin) felett van – az elméletileg lehetséges legalacsonyabb hőmérséklet, bár fizikailag soha nem érhető el, mivel a hő teljes hiányát jelenti. (A MIRI azonban nem a leghidegebb képalkotó műszer, amely az űrben működik.)
A hőmérséklet lényegében az atomok mozgásának sebességét méri, és a saját infravörös fényük érzékelése mellett a Webb-detektorok saját hőrezgéseik is aktiválhatók. A MIRI alacsonyabb energiatartományban érzékeli a fényt, mint a másik három műszer. Ennek eredményeként detektorai érzékenyebbek a hőrezgésekre. Ezeket a nem kívánt jeleket nevezik a csillagászok „zajnak”, és elnyomhatják a Webb által érzékelni próbált halvány jeleket.
Az indítás után Webb egy teniszpálya méretű sisakrostélyt helyez el, amely megvédi a MIRI-t és más műszereket a nap hevétől, lehetővé téve azok passzív hűtését. Az indítás után körülbelül 77 nappal kezdődően a MIRI kriohűtője 19 nap alatt csökkenti a műszer detektorainak hőmérsékletét 7 Kelvin alá.
„A Földön viszonylag könnyű ilyen hőmérsékletre hűteni a dolgokat, gyakran tudományos vagy ipari alkalmazásokhoz” – mondta Konstantin Penanen, a NASA dél-kaliforniai Jet Propulsion Laboratory kriogén hűtő szakértője, amely a NASA MIRI műszerét kezeli. „De ezek a földi rendszerek nagyon nagyok és energiahatékonyak. Egy űrmegfigyelő központhoz olyan hűtőre van szükségünk, amely fizikailag kompakt, energiahatékony, és rendkívül megbízható, mert nem mehetünk ki és javíthatjuk meg. Tehát ezek a kihívások, amelyekkel szembesülünk. E tekintetben azt mondanám, hogy a MIRI kriogén hűtők mindenképpen az élvonalban vannak.”
Webb egyik tudományos célja az univerzumban kialakult első csillagok tulajdonságainak tanulmányozása. Webb közeli infravörös kamerája, vagyis a NIRCam műszer képes lesz ezeket a rendkívül távoli objektumokat észlelni, és a MIRI segíteni fog a tudósoknak megerősíteni, hogy ezek a halvány fényforrások első generációs csillaghalmazok, nem pedig második generációs csillagok, amelyek egy galaxisfejlődés későbbi szakaszában alakultak ki.
A közeli infravörös műszerekénél vastagabb porfelhők vizsgálatával a MIRI feltárja a csillagok szülőhelyeit. Emellett a Földön gyakran előforduló molekulákat – például vizet, szén-dioxidot és metánt –, valamint sziklás ásványok, például szilikátok molekuláit is képes lesz kimutatni a közeli csillagok körüli hűvös környezetben, ahol bolygók keletkezhetnek. A közeli infravörös műszerek jobban képesek ezeket a molekulákat gőzként kimutatni forróbb környezetben, míg a MIRI jégként képes látni őket.
„Az amerikai és európai szakértelem egyesítésével fejlesztettük ki a MIRI-t a Webb erejére építve, amely lehetővé teszi a világ minden tájáról érkező csillagászok számára, hogy megválaszolják a csillagok, bolygók és galaxisok kialakulásával és fejlődésével kapcsolatos nagy kérdéseket” – mondta Gillian Wright, a MIRI tudományos csapat társvezetője és a műszer európai vezető kutatója az Egyesült Királyság Csillagászati ​​Technológiai Központjában (UK ATC).
A MIRI kriohűtő héliumgázt használ – ami körülbelül kilenc parti lufit lehetne megtölteni –, hogy elszállítsa a hőt a műszer detektoraitól. Két elektromos kompresszor pumpálja a héliumot egy csövön keresztül, amely a detektor helyéig nyúlik. A cső egy fémtömbön fut keresztül, amely szintén a detektorhoz van rögzítve; a lehűtött hélium elnyeli a felesleges hőt a tömbből, így a detektor üzemi hőmérséklete 7 Kelvin alatt marad. A felmelegített (de még mindig hideg) gáz ezután visszatér a kompresszorba, ahol leadja a felesleges hőt, és a ciklus kezdődik újra. Alapvetően a rendszer hasonló a háztartási hűtőszekrényekben és légkondicionálókban használt rendszerhez.
A héliumot szállító csövek aranyozott rozsdamentes acélból készülnek, és átmérőjük kevesebb, mint 2,5 mm. A csövek körülbelül 10 méter hosszan húzódnak az űrhajó buszrendszerében található kompresszortól az optikai teleszkóp elemében található MIRI detektorig, amely az obszervatórium méhsejt alakú főtükre mögött található. A két területet egy kihajtható toronyszerelvénynek (DTA) nevezett hardver köti össze. Az indításhoz összecsomagolt DTA-t – egy kicsit egy dugattyúhoz hasonlóan – összenyomják, hogy segítsék az elhelyezett obszervatórium beépítését a rakéta tetején lévő védelembe. Az űrbe érve a torony kinyúlik, hogy elválassza a szobahőmérsékletű űrhajó buszrendszerét a hűvösebb optikai teleszkóp műszereitől, és lehetővé tegye a napellenző és a teleszkóp teljes kinyílását.
Ez az animáció a James Webb űrteleszkóp ideális telepítését mutatja be órákkal és napokkal a felbocsátás után. A központi, telepíthető toronyegység bővítése növelni fogja a MIRI két része közötti távolságot. Ezeket hűtött héliummal töltött spirális csövek kötik össze.
A nyújtáshoz azonban a héliumcsövet a tágítható toronyszerelvénnyel együtt meg kell hosszabbítani. Így a cső rugószerűen tekeredik fel, ezért a MIRI mérnökei a cső ezen részét „Slinky”-nek becézték.
„Vannak kihívások egy olyan rendszer kidolgozásában, amely az obszervatórium több régióját is felöleli” – mondta Analyn Schneider, a JPL MIRI programmenedzsere. „Ezeket a különböző régiókat különböző szervezetek vagy központok vezetik, beleértve a Northrop Grummant és az amerikai NASA Goddard Űrrepülési Központját, mindenkivel beszélnünk kell. A teleszkópon nincs más hardver, amelynek ezt meg kellene tennie, így ez egy egyedülálló kihívás a MIRI-re nézve. A MIRI kriogénhűtőkig mindenképpen hosszú sor vezetett, és készen állunk arra, hogy az űrben is láthassuk.”
A James Webb űrteleszkóp 2021-ben indul a világ vezető űrkutatási obszervatóriumaként. A Webb feltárja Naprendszerünk rejtélyeit, más csillagok körüli távoli világokat vizsgál, és feltárja univerzumunk és földünk titokzatos szerkezetét és eredetét. A Webb egy nemzetközi kezdeményezés, amelyet a NASA és partnerei, az ESA (Európai Űrügynökség) és a Kanadai Űrügynökség vezet.
A MIRI-t a NASA és az ESA (Európai Űrügynökség) 50-50%-os partnerségében fejlesztették ki. A JPL vezeti az Egyesült Államok MIRI-vel kapcsolatos erőfeszítéseit, és egy európai csillagászati ​​intézetekből álló multinacionális konzorcium is hozzájárul az ESA-hoz. George Rieke, az Arizonai Egyetem munkatársa a MIRI amerikai tudományos csapatának vezetője. Gillian Wright a MIRI európai tudományos csapatának vezetője.
Alistair Glasse (ATC, Egyesült Királyság) a MIRI műszerkutatója, Michael Ressler pedig az amerikai JPL projektkutatója. Tamás László (Egyesült Királyság ATC) az Európai Unióért felelős. A MIRI kriohűtő fejlesztését a JPL vezette és irányította a NASA Goddard Űrrepülési Központjával (Greenbelt, Maryland) és a Northrop Grummannal (Redondo Beach, Kalifornia) együttműködve.