Gli ingegneri effettuano la procedura di "accettazione" dello strumento a infrarossi medi del telescopio spaziale James Webb presso il Goddard Space Flight Center della NASA, dopo la partenza dal Regno Unito.
I tecnici di volo del JPL Johnny Melendez (a destra) e Joe Mora ispezionano il criorefrigeratore MIRI prima di spedirlo alla Northrop Grumman di Redondo Beach, in California. Lì, il criorefrigeratore viene fissato al corpo del telescopio Webb.
Questa parte dello strumento MIRI, visibile presso l'Appleton Laboratory di Rutherford, nel Regno Unito, contiene rivelatori a infrarossi. Il criorefrigeratore è posizionato lontano dal rivelatore perché opera a una temperatura più elevata. Un tubo che trasporta elio freddo collega le due sezioni.
MIRI (a sinistra) è posizionato su una trave di equilibrio presso gli stabilimenti Northrop Grumman di Redondo Beach, mentre gli ingegneri si preparano a utilizzarlo con una gru a ponte per collegarlo al Modulo Integrato di Strumenti Scientifici (ISIM). L'ISIM è il cuore del telescopio Webb, costituito dai quattro strumenti scientifici che lo ospitano.
Prima che lo strumento MIRI, uno dei quattro strumenti scientifici dell'osservatorio, possa entrare in funzione, deve essere raffreddato fino a raggiungere una temperatura prossima a quella minima sopportabile dalla materia.
Il telescopio spaziale James Webb della NASA, il cui lancio è previsto per il 24 dicembre, è il più grande osservatorio spaziale della storia e ha un compito altrettanto arduo: raccogliere la luce infrarossa proveniente dagli angoli più remoti dell'universo, consentendo agli scienziati di studiare la struttura e le origini dell'universo, il nostro universo e il nostro posto in esso.
Molti oggetti cosmici, tra cui stelle e pianeti, nonché i gas e le polveri da cui sono formati, emettono luce infrarossa, talvolta chiamata radiazione termica. Ma lo fanno anche la maggior parte degli altri oggetti caldi, come tostapane, esseri umani e dispositivi elettronici. Ciò significa che i quattro strumenti a infrarossi del telescopio Webb possono rilevare la propria luce infrarossa. Per ridurre queste emissioni, lo strumento deve essere molto freddo, circa 40 Kelvin, ovvero -388 gradi Fahrenheit (-233 gradi Celsius). Ma per funzionare correttamente, i rivelatori all'interno dello strumento a infrarossi medi, o MIRI, devono raggiungere temperature ancora più basse: al di sotto dei 7 Kelvin (-448 gradi Fahrenheit, ovvero -266 gradi Celsius).
Si tratta di pochi gradi sopra lo zero assoluto (0 Kelvin), la temperatura più bassa teoricamente possibile, sebbene non sia fisicamente raggiungibile perché rappresenta la completa assenza di calore. (Tuttavia, MIRI non è lo strumento di imaging più freddo operativo nello spazio.)
La temperatura è essenzialmente una misura della velocità con cui si muovono gli atomi e, oltre a rilevare la propria luce infrarossa, i rivelatori Webb possono essere attivati ​​dalle proprie vibrazioni termiche. MIRI rileva la luce in un intervallo di energia inferiore rispetto agli altri tre strumenti. Di conseguenza, i suoi rivelatori sono più sensibili alle vibrazioni termiche. Questi segnali indesiderati sono ciò che gli astronomi chiamano "rumore" e possono sovrastare i deboli segnali che Webb sta cercando di rilevare.
Dopo il lancio, Webb dispiegherà una visiera delle dimensioni di un campo da tennis che proteggerà MIRI e gli altri strumenti dal calore del sole, consentendo loro di raffreddarsi passivamente. A partire da circa 77 giorni dopo il lancio, il criorefrigeratore di MIRI impiegherà 19 giorni per ridurre la temperatura dei rivelatori dello strumento al di sotto dei 7 Kelvin.
"Sulla Terra è relativamente facile raffreddare gli oggetti a quella temperatura, spesso per applicazioni scientifiche o industriali", ha affermato Konstantin Penanen, esperto di criorefrigeratori presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA in California meridionale, che gestisce lo strumento MIRI per la NASA. "Ma questi sistemi terrestri sono molto ingombranti e inefficienti dal punto di vista energetico. Per un osservatorio spaziale, abbiamo bisogno di un sistema di raffreddamento che sia fisicamente compatto, efficiente dal punto di vista energetico e altamente affidabile, perché non possiamo andare a ripararlo. Queste sono le sfide che dobbiamo affrontare. In questo senso, direi che i criorefrigeratori del MIRI sono sicuramente all'avanguardia."
Uno degli obiettivi scientifici del telescopio Webb è studiare le proprietà delle prime stelle che si sono formate nell'universo. La telecamera nel vicino infrarosso (NIRCam) del Webb sarà in grado di rilevare questi oggetti estremamente distanti, e MIRI aiuterà gli scienziati a confermare che queste deboli sorgenti luminose siano ammassi di stelle di prima generazione, piuttosto che stelle di seconda generazione formatesi in una fase successiva dell'evoluzione galattica.
Osservando le nubi di polvere più dense degli strumenti a infrarossi, MIRI rivelerà i luoghi di nascita delle stelle. Rileverà inoltre molecole comunemente presenti sulla Terra, come acqua, anidride carbonica e metano, nonché molecole di minerali rocciosi come i silicati, negli ambienti freddi che circondano le stelle vicine, dove potrebbero formarsi i pianeti. Gli strumenti a infrarossi sono più efficaci nel rilevare queste molecole sotto forma di vapore in ambienti più caldi, mentre MIRI può vederle come ghiaccio.
"Combinando le competenze statunitensi ed europee, abbiamo sviluppato MIRI, la potenza del telescopio Webb, che consentirà agli astronomi di tutto il mondo di rispondere a grandi domande su come si formano e si evolvono stelle, pianeti e galassie", ha affermato Gillian Wright, co-responsabile del team scientifico di MIRI e responsabile scientifica europea dello strumento presso l'UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Il criorefrigeratore del MIRI utilizza gas elio – in quantità sufficiente a riempire circa nove palloncini da festa – per dissipare il calore dai rivelatori dello strumento. Due compressori elettrici pompano l'elio attraverso un tubo che si estende fino al punto in cui si trova il rivelatore. Il tubo attraversa un blocco di metallo anch'esso collegato al rivelatore; l'elio raffreddato assorbe il calore in eccesso dal blocco, mantenendo la temperatura di esercizio del rivelatore al di sotto dei 7 Kelvin. Il gas riscaldato (ma ancora freddo) ritorna quindi al compressore, dove espelle il calore in eccesso, e il ciclo ricomincia. Fondamentalmente, il sistema è simile a quello utilizzato nei frigoriferi e nei condizionatori d'aria domestici.
I tubi che trasportano l'elio sono realizzati in acciaio inossidabile placcato oro e hanno un diametro inferiore a un decimo di pollice (2,5 mm). Si estendono per circa 30 piedi (10 metri) dal compressore situato nell'area del bus del veicolo spaziale fino al rivelatore MIRI nell'elemento ottico del telescopio situato dietro lo specchio primario a nido d'ape dell'osservatorio. Un componente hardware chiamato DTA (Deployable Tower Assembly, torre dispiegabile) collega le due aree. Quando è imballato per il lancio, il DTA viene compresso, un po' come un pistone, per facilitare l'installazione dell'osservatorio stivato nella protezione sulla parte superiore del razzo. Una volta nello spazio, la torre si estende per separare il bus del veicolo spaziale, a temperatura ambiente, dagli strumenti ottici del telescopio, più freddi, e permette il completo dispiegamento del parasole e del telescopio.
Questa animazione mostra l'esecuzione ideale del dispiegamento del telescopio spaziale James Webb ore e giorni dopo il lancio. L'espansione dell'assemblaggio centrale della torre dispiegabile aumenterà la distanza tra le due parti del MIRI. Queste sono collegate da tubi elicoidali con elio raffreddato.
Ma il processo di allungamento richiede che il tubo dell'elio venga esteso con il gruppo della torre espandibile. Quindi il tubo si avvolge come una molla, ed è per questo che gli ingegneri del MIRI hanno soprannominato questa parte del tubo "Slinky".
"Lavorare su un sistema che si estende su più regioni dell'osservatorio presenta alcune sfide", ha affermato Analyn Schneider, responsabile del programma MIRI del JPL. "Queste diverse regioni sono gestite da diverse organizzazioni o centri, tra cui Northrop Grumman e il Goddard Space Flight Center della NASA, e dobbiamo interfacciarci con tutti. Non c'è nessun altro componente hardware del telescopio che necessiti di questo tipo di interazione, quindi si tratta di una sfida unica per MIRI. Il percorso per i criorefrigeratori di MIRI è stato sicuramente lungo e siamo pronti a vederli nello spazio."
Il telescopio spaziale James Webb verrà lanciato nel 2021 e diventerà il principale osservatorio spaziale al mondo. Webb svelerà i misteri del nostro sistema solare, osserverà mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplorerà le misteriose strutture e origini del nostro universo e del nostro posto nello spazio. Webb è un'iniziativa internazionale guidata dalla NASA e dai suoi partner ESA (Agenzia Spaziale Europea) e Agenzia Spaziale Canadese.
MIRI è stato sviluppato grazie a una partnership paritetica tra NASA ed ESA (Agenzia Spaziale Europea). Il JPL guida il progetto statunitense per MIRI, mentre un consorzio multinazionale di istituti astronomici europei contribuisce al progetto dell'ESA. George Rieke dell'Università dell'Arizona è il responsabile del team scientifico statunitense di MIRI. Gillian Wright è a capo del team scientifico europeo di MIRI.
Alistair Glasse dell'ATC, Regno Unito, è lo scienziato responsabile dello strumento MIRI e Michael Ressler è lo scienziato responsabile del progetto per gli Stati Uniti presso il JPL. Laszlo Tamas dell'ATC del Regno Unito dirige la sezione dell'Unione Europea. Lo sviluppo del criorefrigeratore MIRI è stato guidato e gestito dal JPL in collaborazione con il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, e Northrop Grumman a Redondo Beach, in California.