מהנדסים עורכים "קבלה" של מכשיר האינפרא אדום הבינוני של טלסקופ החלל ג'יימס ווב במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א לאחר שעזב את בריטניה.
טכנאי הטיסה של JPL, ג'וני מלנדז (מימין) וג'ו מורה, בודקים את מקרר הקריו של MIRI לפני שליחתו לנורת'רופ גרומן ברדונדו ביץ', קליפורניה. שם, המקרר מחובר לגוף טלסקופ ווב.
חלק זה של מכשיר ה-MIRI, שנצפה במעבדת אפלטון ברתרפורד, בריטניה, מכיל גלאי אינפרא אדום. מקרר הקריו ממוקם הרחק מהגלאי מכיוון שהוא פועל בטמפרטורה גבוהה יותר. צינור הנושא הליום קר מחבר את שני החלקים.
MIRI (משמאל) יושבת על קורת איזון בנורת'רופ גרומן ברדונדו ביץ', בעוד מהנדסים מתכוננים להשתמש בעגורן עילי כדי לחבר אותה למודול המכשירים המדעיים המשולב (ISIM). ה-ISIM הוא הליבה של ווב, ארבעת מכשירי המדע המכילים את הטלסקופ.
לפני שמכשיר ה-MIRI - אחד מארבעת מכשירי המדע במצפה הכוכבים - יוכל לפעול, יש לקרר אותו כמעט לטמפרטורה הקרה ביותר שחומר יכול להגיע אליה.
טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א, המתוכנן לשיגור ב-24 בדצמבר, הוא מצפה הכוכבים הגדול ביותר בהיסטוריה, והוא עומד בפני משימה לא פחות מרתיעה: איסוף אור אינפרא אדום מפינות רחוקות של היקום, מה שמאפשר למדענים לחקור את מבנהו ומקורותיו. היקום שלנו ומקומנו בו.
עצמים קוסמיים רבים - כולל כוכבים וכוכבי לכת, והגז והאבק מהם הם נוצרים - פולטים אור אינפרא אדום, המכונה לעיתים קרינה תרמית. אך כך גם רוב העצמים החמים האחרים, כמו טוסטרים, בני אדם ואלקטרוניקה. משמעות הדבר היא שארבעת מכשירי האינפרא אדום של ווב יכולים לזהות את האור האינפרא אדום שלהם. כדי להפחית את הפליטות הללו, המכשיר חייב להיות קר מאוד - כ-40 קלווין, או מינוס 388 מעלות פרנהייט (מינוס 233 מעלות צלזיוס). אך כדי לתפקד כראוי, הגלאים בתוך מכשיר האינפרא אדום הבינוני, או MIRI, חייבים להתקרר: מתחת ל-7 קלווין (מינוס 266 מעלות צלזיוס).
זה רק כמה מעלות מעל האפס המוחלט (0 קלווין) - הטמפרטורה הקרה ביותר האפשרית תאורטית, אם כי היא לעולם לא ניתנת להשגה פיזית מכיוון שהיא מייצגת היעדר מוחלט של כל חום. (עם זאת, MIRI אינו מכשיר ההדמיה הקר ביותר הפועל בחלל.)
טמפרטורה היא למעשה מדד למהירות התנועה של אטומים, ובנוסף לגילוי אור אינפרא אדום משלהם, גלאי Webb יכולים להיות מופעלים על ידי תנודות תרמיות משלהם. MIRI מזהה אור בטווח אנרגיה נמוך יותר משלושת המכשירים האחרים. כתוצאה מכך, הגלאים שלו רגישים יותר לתנודות תרמיות. אותות לא רצויים אלה הם מה שאסטרונומים מכנים "רעש", והם יכולים להציף את האותות החלשים שווב מנסה לזהות.
לאחר השיגור, ווב יפרוס מגן בגודל מגרש טניס שיגן על MIRI ומכשירים אחרים מחום השמש, ויאפשר להם להתקרר באופן פסיבי. החל מכ-77 ימים לאחר השיגור, ייקח למקרר הקריו של MIRI 19 ימים להוריד את טמפרטורת גלאי המכשיר מתחת ל-7 קלווין.
"קל יחסית לקרר דברים לטמפרטורה הזו על כדור הארץ, לעתים קרובות עבור יישומים מדעיים או תעשייתיים", אמר קונסטנטין פננן, מומחה למקררי קריוגן במעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א בדרום קליפורניה, המנהלת את מכשיר ה-MIRI עבור נאס"א. "אבל המערכות המבוססות על כדור הארץ הן מגושמות מאוד ולא יעילות באנרגיה. עבור מצפה כוכבים בחלל, אנחנו צריכים מקרר שהוא קומפקטי פיזית, יעיל באנרגיה, והוא חייב להיות אמין ביותר כי אנחנו לא יכולים לצאת ולתקן אותו. אז אלה האתגרים שעומדים בפנינו, בהקשר זה, הייתי אומר שמקררי קריוגן של MIRI בהחלט נמצאים בחזית."
אחת המטרות המדעיות של ווב היא לחקור את תכונותיהם של הכוכבים הראשונים שנוצרו ביקום. מצלמת האינפרא אדום הקרוב של ווב, או מכשיר ה-NIRCam, יוכלו לזהות את העצמים הרחוקים ביותר הללו, ו-MIRI יעזור למדענים לאשר שמקורות האור החלשים הללו הם צבירי כוכבים מהדור הראשון, ולא כוכבים מהדור השני שנוצרו מאוחר יותר באבולוציה של גלקסיה.
על ידי התבוננות בענני אבק עבים יותר ממכשירים באינפרא אדום קרוב, MIRI יחשוף את מקומות הולדתם של כוכבים. הוא גם יזהה מולקולות הנמצאות בדרך כלל על פני כדור הארץ - כגון מים, פחמן דו-חמצני ומתאן, כמו גם מולקולות של מינרלים סלעיים כמו סיליקטים - בסביבות הקרירות סביב כוכבים סמוכים, שם עשויים להיווצר כוכבי לכת. מכשירים באינפרא אדום קרוב טובים יותר בזיהוי מולקולות אלו כאדים בסביבות חמות יותר, בעוד ש-MIRI יכול לראות אותן כקרח.
"על ידי שילוב של מומחיות אמריקאית ואירופית, פיתחנו את MIRI ככוח של Webb, שיאפשר לאסטרונומים מרחבי העולם לענות על שאלות גדולות לגבי האופן שבו כוכבים, כוכבי לכת וגלקסיות נוצרים ומתפתחים", אמרה גיליאן רייט, מובילה שותפה בצוות המדע של MIRI והחוקרת הראשית האירופית של המכשיר במרכז הטכנולוגיה האסטרונומית בבריטניה (UK ATC).
מקרר הקריו MIRI משתמש בגז הליום - מספיק כדי למלא כתשעה בלוני מסיבה - כדי לשאת חום הרחק מגלאי המכשיר. שני מדחסים חשמליים שואבים הליום דרך צינור המשתרע עד למקום בו נמצא הגלאי. הצינור עובר דרך גוש מתכת המחובר גם הוא לגלאי; ההליום המקורר סופג עודף חום מהגוש, ושומר על טמפרטורת הפעולה של הגלאי מתחת ל-7 קלווין. הגז המחומם (אך עדיין קר) חוזר לאחר מכן למדחס, שם הוא פולט את עודף החום, והמחזור מתחיל שוב. ביסודו של דבר, המערכת דומה לזו המשמשת במקררים ביתיים ובמזגנים.
הצינורות הנושאים הליום עשויים מפלדת אל-חלד מצופה זהב וקוטרם פחות מעשירית אינץ' (2.5 מ"מ). הם משתרעים כ-10 מטרים (30 רגל) מהמדחס הממוקם באזור אפיק החללית ועד לגלאי ה-MIRI באלמנט הטלסקופ האופטי הממוקם מאחורי המראה הראשית בצורת חלת דבש של המצפה. חומרה הנקראת מכלול מגדל פריסה, או DTA, מחברת את שני האזורים. כאשר הוא ארוז לשיגור, ה-DTA נדחס, קצת כמו בוכנה, כדי לסייע בהתקנת מצפה הכוכבים המאוחסן בהגנה על גבי הרקטה. לאחר שהמגדל נמצא בחלל, הוא יתרחב כדי להפריד את אפיק החללית בטמפרטורת החדר ממכשירי הטלסקופ האופטי הקרים יותר ולאפשר לשמשייה ולטלסקופ להיפרס במלואם.
אנימציה זו מציגה את הביצוע האידיאלי של פריסת טלסקופ החלל ג'יימס ווב שעות וימים לאחר השיגור. הרחבת מכלול המגדל המרכזי הניתן לפריסה תגדיל את המרחק בין שני חלקי ה-MIRI. הם מחוברים באמצעות צינורות סליליים עם הליום מקורר.
אבל תהליך ההתארכות דורש להאריך את צינור ההליום בעזרת מכלול המגדל הניתן להרחבה. לכן הצינור מתפתל כמו קפיץ, וזו הסיבה שמהנדסי MIRI כינו את החלק הזה של הצינור "סלינקי".
"ישנם כמה אתגרים בעבודה על מערכת המשתרעת על פני אזורים מרובים במצפה הכוכבים", אמרה אנאלין שניידר, מנהלת תוכנית MIRI ב-JPL. "האזורים השונים הללו מובלים על ידי ארגונים או מרכזים שונים, כולל נורת'רופ גרומן ומרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א האמריקאית, אנחנו צריכים לדבר עם כולם. אין חומרה אחרת בטלסקופ שצריכה לעשות את זה, אז זה אתגר ייחודי ל-MIRI. זה בהחלט היה תור ארוך לדרך של מקררי הקריו של MIRI, ואנחנו מוכנים לראות את זה בחלל."
טלסקופ החלל ג'יימס ווב ישוגר בשנת 2021 כמצפה החלל המוביל בעולם. טלסקופ ווב יגלה את מסתורי מערכת השמש שלנו, יבחן עולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים ויחקור את המבנים והמקורות המסתוריים של היקום שלנו ושל מקומנו. ווב היא יוזמה בינלאומית בראשות נאס"א ושותפיה ESA (סוכנות החלל האירופית) וסוכנות החלל הקנדית.
MIRI פותח באמצעות שותפות של 50-50 בין נאס"א ל-ESA (סוכנות החלל האירופית). JPL מובילה את המאמץ האמריקאי עבור MIRI, וקונסורציום רב לאומי של מכונים אסטרונומיים אירופאים תורם ל-ESA. ג'ורג' רייקה מאוניברסיטת אריזונה הוא ראש צוות המדע האמריקאי של MIRI. גיליאן רייט היא ראש הצוות המדע האירופי של MIRI.
אליסטר גלאס מ-ATC, בריטניה, הוא מדען מכשירי MIRI ומייקל רסלר הוא מדען הפרויקט האמריקאי ב-JPL. לאסלו טאמאס מ-ATC בבריטניה אחראי על האיחוד האירופי. פיתוח מקרר הקריו MIRI הובל ונוהל על ידי JPL בשיתוף פעולה עם מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד, ונורת'רופ גרומן ברדונדו ביץ', קליפורניה.