エンジニアたちは、英国を出発した後、NASAゴダード宇宙飛行センターでジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の中間赤外線装置の「受入れ」を行っている。
JPLの飛行技術者ジョニー・メレンデス（右）とジョー・モラは、カリフォルニア州レドンドビーチのノースロップ・グラマン社に輸送する前にMIRI極低温冷却器を検査している。そこで冷却器はウェッブ望遠鏡の本体に取り付けられる。
英国ラザフォードのアップルトン研究所にある MIRI 装置のこの部分には、赤外線検出器が含まれています。極低温冷却器は、高温で動作するため、検出器から離れた場所に設置されています。冷たいヘリウムを運ぶチューブが 2 つのセクションを接続しています。
MIRI（左）は、レドンドビーチのノースロップ・グラマン社で平均台の上に置かれ、技術者たちが天井クレーンを使って統合科学機器モジュール（ISIM）に取り付ける準備をしている。ISIMはウェッブ望遠鏡の中核部分であり、望遠鏡を収容する4つの科学機器である。
MIRI 装置 (観測所の 4 つの科学機器のうちの 1 つ) が動作する前に、物質が到達できる最低温度近くまで冷却する必要があります。
12月24日に打ち上げが予定されているNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、史上最大の宇宙観測所であり、同様に困難な任務を担っている。それは、宇宙の遠く離れた場所から赤外線を集め、科学者が宇宙の構造と起源、そして私たちの宇宙とその中での私たちの位置を探ることである。
恒星や惑星、それらを形成するガスや塵など、多くの宇宙物体は赤外線を放射します。これは熱放射とも呼ばれます。しかし、トースター、人間、電子機器など、他のほとんどの温かい物体も赤外線を放射します。つまり、Webb の 4 つの赤外線機器は、それらの物体自身の赤外線を検出できるのです。これらの放射を減らすには、機器を非常に低温、つまり約 40 ケルビン、華氏マイナス 388 度 (摂氏マイナス 233 度) にする必要があります。しかし、適切に機能するには、中赤外線機器 (MIRI) 内の検出器を 7 ケルビン (華氏マイナス 448 度、摂氏マイナス 266 度) 以下に冷却する必要があります。
これは絶対零度（0ケルビン）よりほんの数度高い温度です。理論的には最も低い温度ですが、熱がまったく存在しない状態なので、物理的には到達不可能です。（ただし、MIRI は宇宙で稼働している最も低い画像撮影装置ではありません。）
温度は基本的に原子がどれだけ速く動いているかの尺度であり、ウェッブ検出器は自身の赤外線を検出することに加えて、自身の熱振動によって作動させることができます。MIRIは他の3つの機器よりも低いエネルギー範囲で光を検出します。その結果、その検出器は熱振動に対してより敏感になります。これらの不要な信号は天文学者が「ノイズ」と呼ぶもので、ウェッブが検出しようとしている微弱な信号を圧倒する可能性があります。
打ち上げ後、ウェッブはテニスコートほどの大きさのバイザーを展開し、MIRIとその他の機器を太陽の熱から保護して受動的に冷却できるようにする。打ち上げ後約77日で、MIRIの極低温冷却器は19日間かけて機器の検出器の温度を7ケルビン以下に下げる。
「地球上でその温度まで冷却するのは比較的簡単で、科学研究や産業用途でよく使われています」と、南カリフォルニアにあるNASAジェット推進研究所の極低温冷却器専門家、コンスタンティン・ペナネン氏は述べています。同研究所は、NASAのMIRI装置を管理しています。「しかし、地上設置型のシステムは非常に大きく、エネルギー効率が悪いです。宇宙観測所では、物理的にコンパクトでエネルギー効率が高く、しかも、外に出て修理することはできないため、高い信頼性が求められます。これらが私たちが直面する課題です。その点において、MIRIの極低温冷却器は間違いなく最先端と言えるでしょう。」
ウェッブの科学的目標の 1 つは、宇宙で最初に形成された星の特性を研究することです。ウェッブの近赤外線カメラ (NIRCam) は、これらの非常に遠くにある物体を検出でき、MIRI は、科学者がこれらの微かな光源が銀河の進化の過程で後から形成された第二世代の星ではなく、第一世代の星の集団であることを確認するのに役立ちます。
MIRIは、近赤外線機器よりも厚い塵の雲を観測することで、星の誕生の場を明らかにします。また、惑星が形成される可能性のある近くの星の周りの冷たい環境で、水、二酸化炭素、メタンなど地球上で一般的に見られる分子や、ケイ酸塩などの岩石鉱物の分子を検出します。近赤外線機器は、高温の環境でこれらの分子を蒸気として検出するのに優れていますが、MIRIはそれらを氷として見ることができます。
「米国と欧州の専門知識を組み合わせることで、ウェッブの力としてMIRIを開発しました。これにより、世界中の天文学者が、星、惑星、銀河がどのように形成され進化するかという大きな疑問に答えることができるようになります」と、MIRI科学チームの共同リーダーであり、英国天文技術センター（UK ATC）の同装置の欧州主任研究員であるジリアン・ライト氏は述べた。
MIRI クライオクーラーは、約 9 個のパーティー用風船を満たすのに十分なヘリウムガスを使用して、機器の検出器から熱を除去します。2 つの電動コンプレッサーが、検出器が配置されている場所まで伸びるチューブを通じてヘリウムを送り込みます。チューブは、検出器に取り付けられた金属ブロックを通過し、冷却されたヘリウムがブロックから余分な熱を吸収し、検出器の動作温度を 7 ケルビン未満に保ちます。加熱された (ただしまだ冷たい) ガスはコンプレッサーに戻り、余分な熱を放出して、サイクルが再び始まります。基本的に、このシステムは家庭用冷蔵庫やエアコンで使用されているものと似ています。
ヘリウムを運ぶパイプは金メッキのステンレス鋼で作られており、直径は 1/10 インチ (2.5 mm) 未満です。このパイプは、宇宙船バス エリアにあるコンプレッサーから、観測装置のハニカム主鏡の後ろにある光学望遠鏡要素の MIRI 検出器まで、約 30 フィート (10 メートル) 伸びています。展開式タワー アセンブリ (DTA) と呼ばれるハードウェアが、この 2 つのエリアを接続しています。打ち上げ用に梱包されると、DTA はピストンのように圧縮され、格納されている観測装置をロケット上部の保護に設置するのに役立ちます。宇宙に到達すると、このタワーが伸びて、室温の宇宙船バスと低温の光学望遠鏡機器を分離し、サンシェードと望遠鏡を完全に展開できるようにします。
このアニメーションは、打ち上げ後数時間から数日でジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を展開する理想的な実行を示しています。中央の展開タワー アセンブリの拡張により、MIRI の 2 つの部分間の距離が広がります。それらは、冷却されたヘリウムを備えた螺旋状のチューブによって接続されています。
しかし、伸長プロセスでは、拡張可能なタワーアセンブリを使用してヘリウムチューブを延長する必要があります。そのため、チューブはバネのようにコイル状になります。そのため、MIRIのエンジニアはチューブのこの部分に「スリンキー」というニックネームを付けました。
「観測所の複数の領域にまたがるシステムの開発には、いくつかの課題があります」と、JPL MIRIプログラムマネージャーのアナリン・シュナイダー氏は述べています。「これらの複数の領域は、ノースロップ・グラマンや米国NASAゴダード宇宙飛行センターなど、異なる組織やセンターによって運営されており、私たちは全員と協議しなければなりません。望遠鏡には、そのような作業を必要とする他のハードウェアは搭載されていないため、これはMIRI特有の課題です。MIRIのクライオクーラーの実現には長い道のりがありましたが、私たちは宇宙でそれを目にする準備が整いました。」
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界トップクラスの宇宙科学観測所として2021年に打ち上げられる予定です。ウェッブは、太陽系の謎を解き明かし、他の恒星の周りの遠くの世界を観察し、宇宙と私たちの住む場所の神秘的な構造と起源を探ります。ウェッブは、NASAとそのパートナーであるESA（欧州宇宙機関）およびカナダ宇宙庁が主導する国際的な取り組みです。
MIRIは、NASAとESA（欧州宇宙機関）の50-50のパートナーシップを通じて開発されました。JPLがMIRIの米国での取り組みを主導し、欧州の天文学研究所の多国籍コンソーシアムがESAに貢献しています。アリゾナ大学のジョージ・リーケ氏がMIRIの米国科学チームのリーダーです。ジリアン・ライト氏がMIRIの欧州科学チームのリーダーです。
英国ATCのアリスター・グラス氏はMIRI計器科学者であり、マイケル・レスラー氏はJPLの米国プロジェクト科学者です。英国ATCのラズロ・タマス氏は欧州連合を運営しています。MIRIクライオクーラーの開発は、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターおよびカリフォルニア州レドンドビーチのノースロップ・グラマンと共同でJPLが主導し、管理しました。