Gli ingegneri eseguono un'"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 crioraffreddatore MIRI prima di spedirlo alla Northrop Grumman di Redondo Beach, in California. Lì, il refrigeratore viene fissato al corpo del telescopio Webb.
Questa parte dello strumento MIRI, visibile presso l'Appleton Laboratory di Rutherford, nel Regno Unito, contiene rilevatori a infrarossi. Il crioraffreddatore è posizionato lontano dal rilevatore perché opera a una temperatura più elevata. Un tubo che trasporta elio freddo collega le due sezioni.
MIRI (a sinistra) è appoggiato su una trave di bilanciamento presso la Northrop Grumman di Redondo Beach mentre gli ingegneri si preparano a utilizzare una gru a ponte per agganciarlo al modulo ISIM (Integrated Scientific Instrument Module). L'ISIM è il cuore del Webb, costituito dai quattro strumenti scientifici che ospitano il telescopio.
Prima che lo strumento MIRI, uno dei quattro strumenti scientifici dell'osservatorio, possa funzionare, deve essere raffreddato fino a raggiungere una temperatura prossima alla minima temperatura raggiungibile 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 dagli angoli più remoti dell'universo, consentendo agli scienziati di sondare 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 il gas e la polvere da cui si formano, emettono luce infrarossa, a volte chiamata radiazione termica. Ma lo stesso vale per la maggior parte degli altri oggetti caldi, come tostapane, esseri umani ed elettronica. Ciò significa che i quattro strumenti a infrarossi di Webb possono rilevare la propria luce infrarossa. Per ridurre queste emissioni, lo strumento deve essere molto freddo, circa 40 Kelvin, ovvero meno 388 gradi Fahrenheit (meno 233 gradi Celsius). Ma per funzionare correttamente, i rilevatori all'interno dello strumento a infrarossi medi, o MIRI, devono raffreddarsi ulteriormente: sotto i 7 Kelvin (meno 448 gradi Fahrenheit, ovvero meno 266 gradi Celsius).
Si tratta di appena pochi gradi sopra lo zero assoluto (0 Kelvin), la temperatura più fredda teoricamente possibile, anche se non è mai fisicamente raggiungibile perché rappresenta la completa assenza di calore. (Tuttavia, MIRI non è lo strumento di imaging più freddo in funzione 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 rilevatori Webb possono essere attivati ​​dalle proprie vibrazioni termiche. Il MIRI rileva la luce in un intervallo di energia inferiore rispetto agli altri tre strumenti. Di conseguenza, i suoi rilevatori sono più sensibili alle vibrazioni termiche. Questi segnali indesiderati sono ciò che gli astronomi chiamano "rumore" e possono sovrastare i deboli segnali che il 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. Circa 77 giorni dopo il lancio, il crioraffreddatore di MIRI impiegherà 19 giorni per ridurre la temperatura dei rilevatori dello strumento a meno di 7 Kelvin.
"È relativamente facile raffreddare le cose a quella temperatura sulla Terra, spesso per applicazioni scientifiche o industriali", ha affermato Konstantin Penanen, esperto di crioraffreddatori presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nella California meridionale, che gestisce lo strumento MIRI per la NASA. "Ma quei sistemi terrestri sono molto ingombranti e inefficienti dal punto di vista energetico. Per un osservatorio spaziale, abbiamo bisogno di un dispositivo di raffreddamento che sia fisicamente compatto, efficiente dal punto di vista energetico e altamente affidabile, perché non possiamo intervenire e ripararlo. Quindi queste sono le sfide che dobbiamo affrontare. A questo proposito, direi che i crioraffreddatori MIRI sono sicuramente all'avanguardia".
Uno degli obiettivi scientifici di Webb è studiare le proprietà delle prime stelle che si sono formate nell'universo. La telecamera a infrarossi vicini o strumento NIRCam di Webb sarà in grado di rilevare questi oggetti estremamente distanti e MIRI aiuterà gli scienziati a confermare che queste deboli fonti di luce sono ammassi di stelle di prima generazione, piuttosto che stelle di seconda generazione che si sono formate più tardi nell'evoluzione di una galassia.
Osservando nubi di polvere più spesse di quelle rilevabili dagli strumenti nel vicino infrarosso, MIRI svelerà i luoghi di nascita delle stelle. Rileverà anche molecole comunemente presenti sulla Terra, come acqua, anidride carbonica e metano, nonché molecole di minerali rocciosi come i silicati, negli ambienti freddi attorno alle stelle vicine, dove potrebbero formarsi i pianeti. Gli strumenti nel vicino infrarosso sono più efficaci nel rilevare queste molecole come vapori in ambienti più caldi, mentre MIRI può vederle come ghiaccio.
"Combinando le competenze statunitensi ed europee, abbiamo sviluppato MIRI, la potenza di Webb, che consentirà agli astronomi di tutto il mondo di rispondere a grandi domande su come si formano ed evolvono stelle, pianeti e galassie", ha affermato Gillian Wright, co-responsabile del team scientifico MIRI e ricercatrice principale europea per lo strumento presso l'Astronomical Technology Centre (UK ATC) del Regno Unito.
Il crioraffreddatore MIRI utilizza elio gassoso, in quantità sufficiente a riempire circa nove palloncini, per allontanare il calore dai rilevatori dello strumento. Due compressori elettrici pompano elio attraverso un tubo che si estende fino al punto in cui si trova il rilevatore. Il tubo attraversa un blocco di metallo, anch'esso fissato al rilevatore; l'elio raffreddato assorbe il calore in eccesso dal blocco, mantenendo la temperatura operativa del rilevatore al di sotto di 7 Kelvin. Il gas riscaldato (ma ancora freddo) torna 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 domestici.
I tubi che trasportano l'elio sono realizzati in acciaio inossidabile placcato in 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 della navicella spaziale al rilevatore MIRI nell'elemento del telescopio ottico situato dietro lo specchio primario a nido d'ape dell'osservatorio. Un hardware chiamato gruppo torre dispiegabile, o DTA, collega le due aree. Una volta imballato per il lancio, il DTA viene compresso, un po' come un pistone, per aiutare a installare l'osservatorio stivato nella protezione sulla parte superiore del razzo. Una volta nello spazio, la torre si estenderà per separare il bus della navicella spaziale a temperatura ambiente dagli strumenti del telescopio ottico più freddi e consentire al parasole e al telescopio di dispiegarsi completamente.
Questa animazione mostra l'esecuzione ideale del dispiegamento del telescopio spaziale James Webb ore e giorni dopo il lancio. L'espansione dell'assemblaggio della torre centrale dispiegabile aumenterà la distanza tra le due parti del MIRI. Sono collegate da tubi elicoidali con elio raffreddato.
Ma il processo di allungamento richiede che il tubo dell'elio venga esteso insieme al gruppo della torre espandibile. Quindi il tubo si avvolge come una molla, motivo per cui gli ingegneri 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 organizzazioni o centri diversi, tra cui Northrop Grumman e il Goddard Space Flight Center della NASA, e dobbiamo dialogare con tutti. Non c'è altro hardware sul telescopio che debba farlo, quindi è una sfida unica per MIRI. I crioraffreddatori del MIRI hanno sicuramente fatto molta strada, 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. Webb è un'iniziativa internazionale guidata dalla NASA e dai suoi partner ESA (Agenzia spaziale europea) e Agenzia spaziale canadese.
MIRI è stato sviluppato attraverso una partnership 50-50 tra NASA ed ESA (Agenzia Spaziale Europea). Il JPL guida lo sforzo statunitense per MIRI e un consorzio multinazionale di istituti astronomici europei contribuisce all'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 del Regno Unito è responsabile scientifico dello strumento MIRI, mentre Michael Ressler è responsabile scientifico del progetto statunitense presso il JPL. Laszlo Tamas dell'ATC del Regno Unito gestisce l'Unione Europea. Lo sviluppo del crioraffreddatore MIRI è stato guidato e gestito dal JPL in collaborazione con il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, e la Northrop Grumman a Redondo Beach, in California.