Verkfræðingar framkvæma „móttöku“ á mið-innrauða mælitæki James Webb geimsjónaukans í Goddard geimferðamiðstöð NASA eftir að hafa lagt af stað frá Bretlandi.
Flugtæknimenn JPL, Johnny Melendez (til hægri), og Joe Mora, skoða MIRI frystikælinn áður en hann er sendur til Northrop Grumman í Redondo Beach í Kaliforníu. Þar er kælirinn festur við Webb sjónaukans.
Þessi hluti MIRI mælitækisins, sem sést í Appleton rannsóknarstofunni í Rutherford í Bretlandi, inniheldur innrauða skynjara. Kælirinn er staðsettur fjarri skynjaranum því hann starfar við hærra hitastig. Rör sem flytur kalt helíum tengir hlutana tvo.
MIRI (vinstri megin) stendur á jafnvægisslá hjá Northrop Grumman í Redondo Beach á meðan verkfræðingar búa sig undir að nota loftkrana til að festa hana við ISIM (Integrated Scientific Instrument Module). ISIM er kjarninn í Webb, fjórum vísindatækjum sem hýsa sjónaukann.
Áður en MIRI mælitækið — eitt af fjórum vísindatækjum stjörnustöðvarinnar — getur starfað verður að kæla það niður í næstum lægsta hitastig sem efni getur náð.
James Webb geimsjónaukinn hjá NASA, sem áætlað er að skjóta á loft 24. desember, er stærsta geimstjörnustöð sögunnar og hefur jafn erfitt verkefni fyrir höndum: að safna innrauðu ljósi frá fjarlægum hornum alheimsins, sem gerir vísindamönnum kleift að rannsaka uppbyggingu og uppruna alheimsins. Alheimurinn okkar og staða okkar í honum.
Mörg fyrirbæri í geimnum — þar á meðal stjörnur og reikistjörnur, og gasið og rykið sem þau myndast úr — gefa frá sér innrautt ljós, stundum kallað varmageislun. En það sama á við um flest önnur hlý fyrirbæri, eins og brauðristar, menn og raftæki. Það þýðir að fjögur innrauða mælitæki Webbs geta greint sitt eigið innrauða ljós. Til að draga úr þessari geislun verður mælitækið að vera mjög kalt — um 40 Kelvin, eða mínus 388 gráður Fahrenheit (mínus 233 gráður á Celsíus). ​​En til að virka rétt verða skynjararnir inni í mið-innrauða mælitækinu, eða MIRI, að kólna: undir 7 Kelvin (mínus 266 gráður á Celsíus).
Það eru aðeins nokkrar gráður yfir alkul (0 Kelvin) – kaldasti hitinn sem fræðilega séð er mögulegur, þó að hann sé aldrei raunhæfur þar sem hann táknar algjört fjarveru alls hita. (Hins vegar er MIRI ekki kaldasta myndgreiningartækið sem starfar í geimnum.)
Hitastig er í raun mælikvarði á hversu hratt atóm hreyfast og auk þess að nema eigið innrautt ljós geta Webb skynjarar virkjast af eigin hitasveiflum. MIRI nemur ljós á lægra orkusviði en hin þrjú tækin. Fyrir vikið eru skynjarar þess næmari fyrir hitasveiflum. Þessi óæskilegu merki eru það sem stjörnufræðingar kalla „hávaða“ og þau geta yfirgnæft daufu merkin sem Webb er að reyna að greina.
Eftir geimskot mun Webb setja upp skjöld á stærð við tennisvöll sem verndar MIRI og önnur tæki fyrir sólarhita og gerir þeim kleift að kólna óvirkt. Um 77 dögum eftir geimskot mun það taka frystikæli MIRI 19 daga að lækka hitastig skynjara tækisins niður fyrir 7 Kelvin.
„Það er tiltölulega auðvelt að kæla hluti niður í þetta hitastig á jörðinni, oft fyrir vísindalegar eða iðnaðarlegar notkunar,“ sagði Konstantin Penanen, sérfræðingur í frystikælum hjá Jet Propulsion Laboratory NASA í Suður-Kaliforníu, sem stýrir MIRI mælitækinu fyrir NASA. „En þessi kerfi á jörðinni eru mjög fyrirferðarmikil og orkusparandi. Fyrir geimstjörnustöð þurfum við kæli sem er þéttbyggður, orkusparandi og mjög áreiðanlegur því við getum ekki farið út og gert við hann. Svo þetta eru áskoranirnar sem við stöndum frammi fyrir, í því sambandi myndi ég segja að MIRI frystikælar séu örugglega í fararbroddi.“
Eitt af vísindalegum markmiðum Webbs er að rannsaka eiginleika fyrstu stjarnanna sem mynduðust í alheiminum. Nær-innrauða myndavél Webbs eða NIRCam mælitækið mun geta greint þessi afar fjarlægu fyrirbæri og MIRI mun hjálpa vísindamönnum að staðfesta að þessar daufu ljósgjafar eru þyrpingar fyrstu kynslóðar stjarna, frekar en annarrar kynslóðar stjarna sem mynduðust síðar í þróun vetrarbrauta.
Með því að skoða rykský sem eru þykkari en nær-innrauðir mælitæki mun MIRI leiða í ljós fæðingarstaði stjarna. Það mun einnig greina sameindir sem finnast almennt á jörðinni — eins og vatn, koltvísýring og metan, sem og sameindir úr bergsteinum eins og sílikötum — í köldu umhverfi í kringum nálægar stjörnur, þar sem reikistjörnur geta myndast. Nær-innrauðir mælitæki eru betri í að greina þessar sameindir sem gufu í heitara umhverfi, en MIRI getur séð þær sem ís.
„Með því að sameina bandaríska og evrópska þekkingu höfum við þróað MIRI sem kraft Webb, sem mun gera stjörnufræðingum um allan heim kleift að svara stórum spurningum um hvernig stjörnur, reikistjörnur og vetrarbrautir myndast og þróast,“ sagði Gillian Wright, meðleiðtogi vísindateymisins hjá MIRI og aðalrannsakandi í Evrópu fyrir tækið við bresku stjörnufræðimiðstöðina (UK ATC).
MIRI-kælirinn notar helíumgas — nóg til að fylla um níu partýblöðrur — til að flytja hita frá skynjurum tækisins. Tvær rafmagnsþjöppur dæla helíum í gegnum rör sem nær að þar sem skynjarinn er staðsettur. Rörið liggur í gegnum málmblokk sem er einnig festur við skynjarann; kælda helíumið gleypir umframhita úr blokkinni og heldur rekstrarhita skynjarans undir 7 Kelvin. Hitaða (en samt kalda) gasið fer síðan aftur í þjöppuna þar sem það losar umframhitann og hringrásin hefst upp á nýtt. Í grundvallaratriðum er kerfið svipað og notað er í heimiliskælum og loftkælingum.
Pípurnar sem flytja helíum eru úr gullhúðuðu ryðfríu stáli og eru innan við einn tíundi úr tommu (2,5 mm) í þvermál. Þær ná um 30 fet (10 metra) frá þjöppunni sem er staðsett í geimfarsrútusvæðinu að MIRI skynjaranum í sjónaukanum sem er staðsettur á bak við hunangslaga aðalspegil stjörnustöðvarinnar. Vélbúnaður sem kallast útfellanleg turnsamsetning, eða DTA, tengir svæðin tvö saman. Þegar DTA er pakkað fyrir skot er það þjappað saman, líkt og stimpill, til að hjálpa til við að setja geimfarsrútuna upp í verndina ofan á eldflauginni. Þegar turninn er kominn út í geiminn mun hann teygja sig út til að aðskilja geimfarsrútuna sem er í stofuhita frá kæli sjónaukanum og leyfa sólhlífinni og sjónaukanum að opnast að fullu.
Þessi hreyfimynd sýnir hvernig James Webb geimsjónaukinn er settur upp nokkrum klukkustundum og dögum eftir geimskot. Stækkun miðlæga turnsins mun auka fjarlægðina milli hluta MIRI. Þeir eru tengdir saman með spírallaga rörum með kældu helíum.
En lengingarferlið krefst þess að helíumrörið sé framlengt með stækkanlegu turnsamstæðunni. Þannig vindist rörið eins og fjöður, og þess vegna gáfu verkfræðingar MIRI þessum hluta rörsins gælunafnið „Slinky“.
„Það fylgja því nokkrar áskoranir að vinna með kerfi sem spannar mörg svæði stjörnustöðvarinnar,“ sagði Analyn Schneider, verkefnastjóri JPL MIRI. „Þessi mismunandi svæði eru undir forystu mismunandi stofnana eða miðstöðva, þar á meðal Northrop Grumman og Goddard geimferðamiðstöðvar bandarísku NASA, við verðum að tala við alla. Það er enginn annar vélbúnaður á sjónaukanum sem þarf að gera það, svo þetta er áskorun sem er einstök fyrir MIRI. Það hefur örugglega verið löng biðröð fyrir MIRI að komast á kælikerfið og við erum tilbúin að sjá það í geimnum.“
James Webb geimsjónaukinn verður skotið á loft árið 2021 sem fremsta geimvísindastöð heims. Webb mun afhjúpa leyndardóma sólkerfisins okkar, skyggnast til fjarlægra heima í kringum aðrar stjörnur og kanna dularfullar byggingar og uppruna alheimsins og staðarins sem við búum yfir. Webb er alþjóðlegt verkefni undir forystu NASA og samstarfsaðila þess, ESA (Evrópsku geimvísindastofnunarinnar) og Kanadísku geimvísindastofnunarinnar.
MIRI var þróað í gegnum 50-50 samstarf NASA og ESA (Evrópsku geimferðastofnunina). JPL leiðir bandaríska verkefnið fyrir MIRI og fjölþjóðlegt samstarf evrópskra stjarnvísindastofnana leggur sitt af mörkum til ESA. George Rieke frá Háskólanum í Arisóna er leiðtogi bandaríska vísindateymisins hjá MIRI. Gillian Wright er forstöðumaður evrópska vísindateymisins hjá MIRI.
Alistair Glasse frá ATC í Bretlandi er tækjafræðingur hjá MIRI og Michael Ressler er bandarískur verkefnisfræðingur hjá JPL. Laszlo Tamas frá ATC í Bretlandi stýrir Evrópusambandinu. Þróun MIRI frystikælisins var leidd og stjórnað af JPL í samstarfi við Goddard geimferðamiðstöð NASA í Greenbelt í Maryland og Northrop Grumman í Redondo Beach í Kaliforníu.