Para teknisi melakukan "penerimaan" instrumen inframerah menengah Teleskop Luar Angkasa James Webb di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA setelah berangkat dari Inggris.
Teknisi penerbangan JPL Johnny Melendez (kanan) dan Joe Mora memeriksa kriogenik MIRI sebelum mengirimkannya ke Northrop Grumman di Redondo Beach, California. Di sana, pendingin dipasang ke badan teleskop Webb.
Bagian instrumen MIRI ini, terlihat di Laboratorium Appleton di Rutherford, Inggris, berisi detektor inframerah. Pendingin kriogenik terletak jauh dari detektor karena beroperasi pada suhu yang lebih tinggi. Sebuah tabung yang membawa helium dingin menghubungkan kedua bagian tersebut.
MIRI (kiri) berada di atas balok keseimbangan di Northrop Grumman di Redondo Beach saat para teknisi bersiap menggunakan derek di atas kepala untuk memasangnya ke Modul Instrumen Ilmiah Terpadu (ISIM). ISIM adalah inti Webb, empat instrumen sains yang menampung teleskop.
Sebelum instrumen MIRI — salah satu dari empat instrumen sains di observatorium — dapat beroperasi, instrumen tersebut harus didinginkan hingga mendekati suhu terdingin yang dapat dicapai materi.
Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada tanggal 24 Desember, merupakan observatorium luar angkasa terbesar dalam sejarah, dan ia memiliki tugas yang sama beratnya: mengumpulkan cahaya inframerah dari sudut-sudut terjauh di alam semesta, yang memungkinkan para ilmuwan untuk menyelidiki struktur dan asal-usul alam semesta. Alam semesta kita dan tempat kita di dalamnya.
Banyak objek kosmik — termasuk bintang dan planet, serta gas dan debu yang membentuknya — memancarkan cahaya inframerah, terkadang disebut radiasi termal. Namun demikian, sebagian besar objek hangat lainnya, seperti pemanggang roti, manusia, dan elektronik, juga memancarkan cahaya inframerah. Itu berarti keempat instrumen inframerah Webb dapat mendeteksi cahaya inframerahnya sendiri. Untuk mengurangi emisi ini, instrumen tersebut harus sangat dingin—sekitar 40 Kelvin, atau minus 388 derajat Fahrenheit (minus 233 derajat Celsius). Namun, agar berfungsi dengan baik, detektor di dalam instrumen inframerah menengah, atau MIRI, harus menjadi lebih dingin: di bawah 7 Kelvin (minus 448 derajat Fahrenheit, atau minus 266 derajat Celsius).
Itu hanya beberapa derajat di atas nol mutlak (0 Kelvin) – suhu terdingin yang mungkin secara teoritis, meskipun itu tidak akan pernah tercapai secara fisik karena itu merupakan ketiadaan panas sama sekali. (Namun, MIRI bukanlah instrumen pencitraan terdingin yang beroperasi di luar angkasa.)
Suhu pada dasarnya adalah ukuran seberapa cepat atom bergerak, dan selain mendeteksi cahaya inframerahnya sendiri, detektor Webb dapat dipicu oleh getaran termalnya sendiri. MIRI mendeteksi cahaya dalam rentang energi yang lebih rendah daripada tiga instrumen lainnya. Akibatnya, detektornya lebih sensitif terhadap getaran termal. Sinyal yang tidak diinginkan ini adalah apa yang para astronom sebut sebagai "gangguan," dan mereka dapat mengalahkan sinyal lemah yang coba dideteksi Webb.
Setelah peluncuran, Webb akan memasang pelindung seukuran lapangan tenis yang melindungi MIRI dan instrumen lain dari panas matahari, sehingga memungkinkan keduanya mendingin secara pasif. Dimulai sekitar 77 hari setelah peluncuran, kriogenik MIRI akan membutuhkan waktu 19 hari untuk menurunkan suhu detektor instrumen hingga di bawah 7 Kelvin.
“Relatif mudah untuk mendinginkan benda hingga mencapai suhu tersebut di Bumi, sering kali untuk aplikasi ilmiah atau industri,” kata Konstantin Penanen, pakar kriocooler di Laboratorium Propulsi Jet NASA di California Selatan. , yang mengelola instrumen MIRI untuk NASA. “Namun, sistem berbasis Bumi tersebut sangat besar dan tidak hemat energi. Untuk observatorium luar angkasa, kami memerlukan pendingin yang secara fisik kompak, hemat energi, dan harus sangat andal karena kami tidak dapat keluar dan memperbaikinya. Jadi, inilah tantangan yang kami hadapi. , dalam hal itu, saya akan mengatakan kriocooler MIRI jelas berada di garis depan.”
Salah satu tujuan ilmiah Webb adalah mempelajari sifat-sifat bintang pertama yang terbentuk di alam semesta. Kamera inframerah dekat Webb atau instrumen NIRCam akan mampu mendeteksi objek-objek yang sangat jauh ini, dan MIRI akan membantu para ilmuwan memastikan bahwa sumber-sumber cahaya redup ini adalah gugusan bintang generasi pertama, bukan bintang generasi kedua yang terbentuk kemudian dalam evolusi galaksi.
Dengan mengamati awan debu yang lebih tebal daripada instrumen inframerah dekat, MIRI akan mengungkap tempat kelahiran bintang-bintang. Ia juga akan mendeteksi molekul-molekul yang umum ditemukan di Bumi — seperti air, karbon dioksida, dan metana, serta molekul-molekul mineral berbatu seperti silikat — di lingkungan dingin di sekitar bintang-bintang terdekat, tempat planet-planet dapat terbentuk. Instrumen inframerah dekat lebih baik dalam mendeteksi molekul-molekul ini sebagai uap di lingkungan yang lebih panas, sementara MIRI dapat melihatnya sebagai es.
"Dengan menggabungkan keahlian AS dan Eropa, kami telah mengembangkan MIRI sebagai kekuatan Webb, yang akan memungkinkan para astronom dari seluruh dunia untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan besar tentang bagaimana bintang, planet, dan galaksi terbentuk dan berevolusi," kata Gillian Wright, salah satu pimpinan tim sains MIRI dan Peneliti Utama Eropa untuk instrumen tersebut di Pusat Teknologi Astronomi Inggris (UK ATC).
Kriokoler MIRI menggunakan gas helium—cukup untuk mengisi sekitar sembilan balon pesta—untuk membuang panas dari detektor instrumen tersebut. Dua kompresor listrik memompa helium melalui tabung yang memanjang ke tempat detektor berada. Tabung tersebut mengalir melalui balok logam yang juga melekat pada detektor; helium yang didinginkan menyerap panas berlebih dari balok tersebut, sehingga suhu pengoperasian detektor tetap di bawah 7 Kelvin. Gas yang dipanaskan (tetapi masih dingin) tersebut kemudian kembali ke kompresor, membuang panas berlebih, dan siklus tersebut dimulai lagi. Pada dasarnya, sistem ini serupa dengan yang digunakan pada lemari es dan AC rumah tangga.
Pipa yang membawa helium terbuat dari baja tahan karat berlapis emas dan berdiameter kurang dari sepersepuluh inci (2,5 mm). Pipa ini memanjang sekitar 30 kaki (10 meter) dari kompresor yang terletak di area bus pesawat antariksa hingga detektor MIRI di elemen teleskop optik yang terletak di belakang cermin utama sarang lebah observatorium. Perangkat keras yang disebut rakitan menara yang dapat dipasang, atau DTA, menghubungkan kedua area tersebut. Saat dikemas untuk peluncuran, DTA dikompresi, sedikit seperti piston, untuk membantu memasang observatorium yang disimpan ke dalam perlindungan di atas roket. Begitu berada di luar angkasa, menara akan memanjang untuk memisahkan bus pesawat antariksa bersuhu ruangan dari instrumen teleskop optik yang lebih dingin dan memungkinkan pelindung matahari dan teleskop untuk dipasang sepenuhnya.
Animasi ini menunjukkan pelaksanaan ideal penyebaran Teleskop Luar Angkasa James Webb beberapa jam dan beberapa hari setelah peluncuran. Perluasan rakitan menara pusat yang dapat dikerahkan akan meningkatkan jarak antara dua bagian MIRI. Keduanya dihubungkan oleh tabung heliks dengan helium yang didinginkan.
Namun proses pemanjangan membutuhkan tabung helium untuk diperpanjang dengan rakitan menara yang dapat diperluas. Jadi tabung melingkar seperti pegas, itulah sebabnya para insinyur MIRI menjuluki bagian tabung ini “Slinky”.
"Ada beberapa tantangan dalam mengerjakan sistem yang mencakup beberapa wilayah observatorium," kata Analyn Schneider, manajer program JPL MIRI. "Wilayah-wilayah yang berbeda ini dipimpin oleh berbagai organisasi atau pusat, termasuk Northrop Grumman dan Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard milik NASA, kami harus berbicara dengan semua orang. Tidak ada perangkat keras lain pada teleskop yang perlu melakukan itu, jadi ini merupakan tantangan yang unik bagi MIRI. Ini jelas merupakan perjalanan yang panjang bagi kriocooler MIRI, dan kami siap untuk melihatnya di luar angkasa."
Teleskop Luar Angkasa James Webb akan diluncurkan pada tahun 2021 sebagai observatorium sains luar angkasa utama di dunia. Webb akan mengungkap misteri tata surya kita, melihat ke dunia-dunia jauh di sekitar bintang-bintang lain, dan menjelajahi struktur dan asal-usul misterius alam semesta dan tempat kita berada. Webb merupakan inisiatif internasional yang dipimpin oleh NASA dan mitranya ESA (Badan Antariksa Eropa) dan Badan Antariksa Kanada.
MIRI dikembangkan melalui kemitraan 50-50 antara NASA dan ESA (Badan Antariksa Eropa). JPL memimpin upaya AS untuk MIRI, dan konsorsium multinasional lembaga astronomi Eropa berkontribusi pada ESA. George Rieke dari Universitas Arizona adalah pemimpin tim sains AS MIRI. Gillian Wright adalah kepala tim ilmiah Eropa MIRI.
Alistair Glasse dari ATC, Inggris adalah Ilmuwan Instrumen MIRI dan Michael Ressler adalah Ilmuwan Proyek AS di JPL. Laszlo Tamas dari ATC Inggris menjalankan Uni Eropa. Pengembangan krioklem MIRI dipimpin dan dikelola oleh JPL bekerja sama dengan Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, dan Northrop Grumman di Redondo Beach, California.