Para insinyur melakukan "penerimaan" instrumen inframerah tengah 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 cryocooler MIRI sebelum mengirimkannya ke Northrop Grumman di Redondo Beach, California. Di sana, pendingin tersebut dipasang pada badan teleskop Webb.
Bagian instrumen MIRI ini, yang 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) diletakkan di atas balok penyeimbang di Northrop Grumman di Redondo Beach saat para insinyur bersiap menggunakan derek gantung untuk memasangnya ke Modul Instrumen Ilmiah Terintegrasi (ISIM). ISIM adalah inti dari Webb, yaitu empat instrumen sains yang menampung teleskop tersebut.
Sebelum instrumen MIRI — salah satu dari empat instrumen sains di observatorium — dapat beroperasi, instrumen tersebut harus didinginkan hingga mendekati suhu terdingin yang dapat dicapai oleh materi.
Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada 24 Desember, adalah observatorium luar angkasa terbesar dalam sejarah, dan memiliki tugas yang sama menantangnya: mengumpulkan cahaya inframerah dari sudut-sudut terjauh alam semesta, 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, yang kadang-kadang disebut radiasi termal. Tetapi 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 harus sangat dingin—sekitar 40 Kelvin, atau minus 388 derajat Fahrenheit (minus 233 derajat Celsius). Tetapi agar berfungsi dengan baik, detektor di dalam instrumen inframerah tengah, atau MIRI, harus 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 secara teoritis mungkin, meskipun secara fisik tidak pernah dapat dicapai karena suhu tersebut mewakili 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-sinyal yang tidak diinginkan ini disebut oleh para astronom sebagai "noise," dan dapat mengalahkan sinyal lemah yang coba dideteksi oleh Webb.
Setelah peluncuran, Webb akan memasang pelindung seukuran lapangan tenis yang melindungi MIRI dan instrumen lainnya dari panas matahari, memungkinkan mereka untuk mendingin secara pasif. Mulai sekitar 77 hari setelah peluncuran, pendingin kriogenik MIRI akan membutuhkan waktu 19 hari untuk menurunkan suhu detektor instrumen hingga di bawah 7 Kelvin.
“Relatif mudah untuk mendinginkan benda hingga suhu tersebut di Bumi, seringkali untuk aplikasi ilmiah atau industri,” kata Konstantin Penanen, seorang ahli pendingin kriogenik di Jet Propulsion Laboratory NASA di California Selatan, yang mengelola instrumen MIRI untuk NASA. “Tetapi sistem berbasis Bumi tersebut sangat besar dan tidak efisien dalam hal energi. Untuk observatorium luar angkasa, kita membutuhkan pendingin yang secara fisik kompak, efisien dalam hal energi, dan harus sangat andal karena kita tidak dapat pergi dan memperbaikinya. Jadi, inilah tantangan yang kita hadapi. Dalam hal ini, saya akan mengatakan bahwa pendingin kriogenik MIRI jelas berada di garis depan.”
Salah satu tujuan ilmiah Webb adalah mempelajari sifat-sifat bintang pertama yang terbentuk di alam semesta. Instrumen kamera inframerah dekat atau NIRCam milik Webb akan mampu mendeteksi objek-objek yang sangat jauh ini, dan MIRI akan membantu para ilmuwan untuk mengkonfirmasi bahwa 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. Instrumen ini juga akan mendeteksi molekul yang umum ditemukan di Bumi — seperti air, karbon dioksida, dan metana, serta molekul mineral batuan seperti silikat — di lingkungan dingin di sekitar bintang terdekat, tempat 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 pemimpin tim sains MIRI dan Peneliti Utama Eropa untuk instrumen tersebut di Pusat Teknologi Astronomi Inggris (UK ATC).
Pendingin kriogenik MIRI menggunakan gas helium—cukup untuk mengisi sekitar sembilan balon pesta—untuk menghilangkan panas dari detektor instrumen. Dua kompresor listrik memompa helium melalui tabung yang memanjang ke tempat detektor berada. Tabung tersebut melewati blok logam yang juga terpasang pada detektor; helium yang didinginkan menyerap panas berlebih dari blok tersebut, menjaga suhu operasi detektor di bawah 7 Kelvin. Gas yang dipanaskan (tetapi masih dingin) kemudian kembali ke kompresor, di mana ia membuang panas berlebih, dan siklus dimulai lagi. Pada dasarnya, sistem ini mirip dengan yang digunakan pada lemari es dan pendingin udara rumah tangga.
Pipa-pipa yang mengalirkan helium terbuat dari baja tahan karat berlapis emas dan berdiameter kurang dari sepersepuluh inci (2,5 mm). Pipa ini membentang sekitar 30 kaki (10 meter) dari kompresor yang terletak di area badan pesawat ruang angkasa ke detektor MIRI di elemen teleskop optik yang terletak di belakang cermin utama sarang lebah observatorium. Perangkat keras yang disebut rakitan menara yang dapat dilipat, atau DTA, menghubungkan kedua area tersebut. Saat dikemas untuk peluncuran, DTA dikompresi, sedikit seperti piston, untuk membantu memasang observatorium yang tersimpan ke dalam pelindung di atas roket. Setelah berada di ruang angkasa, menara akan memanjang untuk memisahkan badan pesawat ruang angkasa bersuhu ruangan dari instrumen teleskop optik yang lebih dingin dan memungkinkan pelindung matahari dan teleskop untuk terbentang sepenuhnya.
Animasi ini menunjukkan eksekusi ideal dari penyebaran Teleskop Luar Angkasa James Webb beberapa jam dan hari setelah peluncuran. Perluasan rakitan menara pusat yang dapat dilipat akan meningkatkan jarak antara dua bagian MIRI. Keduanya dihubungkan oleh tabung heliks dengan helium yang didinginkan.
Namun, proses pemanjangan membutuhkan tabung helium untuk dipanjangkan dengan rakitan menara yang dapat diperluas. Jadi, tabung tersebut melilit seperti pegas, itulah sebabnya para insinyur MIRI memberi julukan bagian tabung ini "Slinky".
“Ada beberapa tantangan dalam mengerjakan sistem yang mencakup berbagai wilayah observatorium,” kata Analyn Schneider, manajer program JPL MIRI. “Wilayah-wilayah yang berbeda ini dipimpin oleh organisasi atau pusat yang berbeda, termasuk Northrop Grumman dan Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA AS, kami harus berbicara dengan semua orang. Tidak ada perangkat keras lain di teleskop yang perlu melakukan itu, jadi ini adalah tantangan unik bagi MIRI. Perjalanan pengembangan cryocooler MIRI memang panjang, dan kami siap untuk melihatnya di luar angkasa.”
Teleskop Luar Angkasa James Webb akan diluncurkan pada tahun 2021 sebagai observatorium sains luar angkasa terkemuka di dunia. Webb akan mengungkap misteri tata surya kita, mengamati dunia jauh di sekitar bintang lain, dan menjelajahi struktur misterius serta asal-usul alam semesta dan tempat kita di dalamnya. Webb adalah inisiatif internasional yang dipimpin oleh NASA dan mitranya, ESA (Badan Luar Angkasa Eropa) dan Badan Luar Angkasa Kanada.
MIRI dikembangkan melalui kemitraan 50-50 antara NASA dan ESA (Badan Antariksa Eropa). JPL memimpin upaya AS untuk MIRI, dan konsorsium multinasional dari lembaga astronomi Eropa berkontribusi pada ESA. George Rieke dari Universitas Arizona adalah pemimpin tim sains AS untuk MIRI. Gillian Wright adalah kepala tim sains Eropa untuk 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 cryocooler MIRI dipimpin dan dikelola oleh JPL bekerja sama dengan Goddard Space Flight Center NASA di Greenbelt, Maryland, dan Northrop Grumman di Redondo Beach, California.