엔지니어들이 영국을 출발해 NASA 고다드 우주 비행 센터에서 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 장비에 대한 "수락"을 진행하고 있습니다.
JPL 비행 기술자 조니 멜렌데스(오른쪽)와 조 모라가 캘리포니아주 레돈도 비치에 있는 노스롭 그루먼으로 배송하기 전에 MIRI 냉각기를 검사하고 있습니다. 그곳에서 냉각기는 웹 망원경 본체에 부착되어 있습니다.
영국 러더퍼드의 애플턴 연구소에서 볼 수 있는 MIRI 장비의 이 부분에는 적외선 감지기가 들어 있습니다. 냉각기는 더 높은 온도에서 작동하기 때문에 감지기에서 멀리 떨어져 있습니다. 차가운 헬륨을 담은 튜브가 두 부분을 연결합니다.
MIRI(왼쪽)는 레돈도 비치에 있는 노스럽 그러먼의 평형대 위에 놓여 있으며, 엔지니어들은 오버헤드 크레인을 사용하여 MIRI를 ISIM(통합 과학 장비 모듈)에 부착할 준비를 하고 있습니다. ISIM은 웹의 핵심으로, 망원경을 수용하는 4개의 과학 장비입니다.
MIRI 장비(천문대에 있는 4개의 과학 장비 중 하나)를 작동시키려면 먼저 물질이 도달할 수 있는 가장 낮은 온도까지 냉각해야 합니다.
12월 24일에 발사될 예정인 NASA의 제임스 웹 우주 망원경은 역사상 가장 큰 우주 관측소이며, 우주의 먼 구석에서 적외선을 수집하여 과학자들이 우주의 구조와 기원을 탐구할 수 있도록 하는 똑같이 어려운 임무를 맡고 있습니다.우리가 사는 우주와 그 안에서 우리의 위치는 무엇일까요?
별과 행성, 그리고 그것들을 형성하는 가스와 먼지를 포함한 많은 우주 물체는 때때로 열 복사라고 불리는 적외선을 방출합니다.하지만 토스터, 사람, 전자 제품과 같은 대부분의 다른 따뜻한 물체도 마찬가지입니다.즉, Webb의 네 가지 적외선 계측기는 자체 적외선을 감지할 수 있습니다.이러한 방출을 줄이려면 계측기는 매우 차가워야 합니다.약 40켈빈 또는 화씨 영하 388도(섭씨 영하 233도)입니다.하지만 제대로 작동하려면 중적외선 계측기 또는 MIRI 내부의 감지기가 7켈빈(화씨 영하 448도 또는 섭씨 영하 266도) 이하로 차가워져야 합니다.
이는 절대 영도(0 켈빈)보다 몇 도 높을 뿐입니다. 절대 영도는 이론적으로 가능한 가장 낮은 온도이지만, 열이 전혀 없는 상태를 의미하므로 물리적으로는 결코 이 온도에 도달할 수 없습니다. (하지만 MIRI는 우주에서 작동하는 가장 낮은 영상 장비는 아닙니다.)
온도는 본질적으로 원자가 얼마나 빨리 움직이는지를 측정하는 것이며, 웹 검출기는 원자 자체의 적외선을 감지하는 것 외에도 자체의 열 진동에 의해 작동될 수 있습니다. MIRI는 다른 세 가지 기기보다 낮은 에너지 범위의 빛을 감지합니다. 결과적으로, MIRI의 검출기는 열 진동에 더 민감합니다. 천문학자들은 이러한 원치 않는 신호를 "잡음"이라고 부르며, 웹이 감지하려는 희미한 신호를 가릴 수 있습니다.
발사 후, 웹은 테니스장 크기의 바이저를 펼쳐 MIRI와 다른 장비들을 태양열로부터 보호하고 수동적으로 냉각시킬 것입니다. 발사 후 약 77일 후부터 MIRI의 극저온 냉각기는 장비의 감지기 온도를 7 켈빈 이하로 낮추는 데 19일이 걸릴 것입니다.
"지구에서 그 온도까지 냉각하는 것은 비교적 쉽습니다. 과학이나 산업 분야에서 흔히 사용됩니다."라고 NASA의 MIRI 장비를 관리하는 남부 캘리포니아 NASA 제트 추진 연구소의 극저온 냉각기 전문가 콘스탄틴 페나넨은 말했습니다. "하지만 이러한 지구 기반 시스템은 매우 크고 에너지 효율이 낮습니다. 우주 관측소의 경우, 물리적으로 작고 에너지 효율적이며, 수리가 불가능하기 때문에 매우 신뢰할 수 있는 냉각기가 필요합니다. 이것이 바로 우리가 직면한 과제입니다. 이러한 측면에서 MIRI 극저온 냉각기가 단연 선두에 있다고 생각합니다."
웹의 과학적 목표 중 하나는 우주에서 최초로 형성된 별의 특성을 연구하는 것입니다. 웹의 근적외선 카메라 또는 NIRCam 기구는 이러한 매우 멀리 떨어진 물체를 감지할 수 있을 것이고, MIRI는 과학자들이 이 희미한 광원이 은하 진화 과정에서 나중에 형성된 2세대 별이 아닌 1세대 별의 집합체라는 것을 확인하는 데 도움이 될 것입니다.
근적외선 장비보다 더 두꺼운 먼지 구름을 관찰함으로써 MIRI는 별의 탄생지를 밝혀낼 것입니다. 또한, 근처 별 주변의 차가운 환경에서 물, 이산화탄소, 메탄과 같은 지구에서 흔히 발견되는 분자와 규산염과 같은 암석 광물 분자를 감지할 것입니다. 이러한 환경에서 행성이 형성될 수 있습니다. 근적외선 장비는 더운 환경에서 이러한 분자를 증기로 감지하는 데 더 나은 반면, MIRI는 이를 얼음으로 볼 수 있습니다.
영국 천문학 기술 센터(UK ATC)에서 MIRI 과학팀 공동 책임자이자 해당 기기의 유럽 수석 연구원인 질리언 라이트는 "미국과 유럽의 전문 지식을 결합하여 Webb의 힘으로 MIRI를 개발했습니다. 이를 통해 전 세계 천문학자들은 별, 행성, 은하가 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 중요한 질문에 답할 수 있게 될 것입니다."라고 말했습니다.
MIRI 극저온 냉각기는 약 9개의 파티 풍선을 채울 수 있는 양의 헬륨 가스를 사용하여 장비의 감지기에서 열을 제거합니다. 두 개의 전기 압축기가 감지기가 있는 곳까지 확장된 튜브를 통해 헬륨을 펌핑합니다. 튜브는 감지기에 부착된 금속 블록을 통과합니다. 냉각된 헬륨은 블록에서 과도한 열을 흡수하여 감지기의 작동 온도를 7 켈빈 이하로 유지합니다. 가열된(하지만 여전히 차가운) 가스는 압축기로 돌아가 과도한 열을 방출하고 사이클이 다시 시작됩니다. 기본적으로 이 시스템은 가정용 냉장고와 에어컨에 사용되는 시스템과 비슷합니다.
헬륨을 운반하는 파이프는 금도금 스테인리스 강철로 만들어졌으며 지름은 1/10인치(2.5mm) 미만입니다.이 파이프는 우주선 버스 구역에 있는 압축기에서부터 천문대의 벌집 모양 주경 뒤에 있는 광학 망원경 요소의 MIRI 검출기까지 약 30피트(10m) 뻗어 있습니다.전개형 타워 어셈블리 또는 DTA라고 하는 하드웨어가 두 구역을 연결합니다.발사를 위해 포장될 때 DTA는 피스톤과 비슷하게 압축되어 수납된 천문대를 로켓 상단의 보호 장치에 설치하는 데 도움이 됩니다.우주에 진입하면 타워가 확장되어 실온의 우주선 버스와 더 차가운 광학 망원경 장비를 분리하고 차양과 망원경이 완전히 펼쳐지도록 합니다.
이 애니메이션은 제임스 웹 우주 망원경이 발사된 후 수 시간, 수 일 후에 이상적으로 배치되는 모습을 보여줍니다. 중앙 배치형 타워 조립체가 확장되면서 MIRI의 두 부분 사이의 거리가 늘어납니다. 두 부분은 냉각 헬륨이 있는 나선형 튜브로 연결되어 있습니다.
하지만 신장 공정에서는 헬륨 튜브를 확장형 타워 조립체와 함께 늘려야 합니다.따라서 튜브가 스프링처럼 휘감기는데, 이것이 MIRI 엔지니어가 튜브의 이 부분을 "슬링키"라는 별명으로 부르는 이유입니다.
JPL MIRI 프로그램 매니저인 애널린 슈나이더는 "천문대의 여러 지역에 걸쳐 있는 시스템을 개발하는 데는 몇 가지 어려움이 있습니다."라고 말했습니다. "이러한 여러 지역은 노스롭 그루먼과 미국 NASA 고다드 우주 비행 센터를 포함한 여러 기관이나 센터가 주도하고 있기 때문에 모든 기관과 소통해야 합니다. 망원경에는 그런 작업을 수행할 다른 하드웨어가 없기 때문에 MIRI만의 고유한 과제입니다. MIRI 극저온 냉각기 개발은 분명 오랜 시간이 걸렸으며, 우리는 우주에서 MIRI를 볼 준비가 되어 있습니다."
제임스 웹 우주 망원경은 2021년에 세계 최고의 우주 과학 관측소로 발사될 예정입니다.웹은 우리 태양계의 신비를 풀고, 다른 별 주변의 먼 세계를 살펴보고, 우리 우주와 우리가 있는 곳의 신비로운 구조와 기원을 탐구할 것입니다.웹은 NASA와 파트너인 ESA(유럽 우주국), 캐나다 우주국이 주도하는 국제적 이니셔티브입니다.
MIRI는 NASA와 ESA(유럽 우주국)의 50-50 파트너십을 통해 개발되었습니다. JPL은 MIRI에 대한 미국 차원의 노력을 주도하고 있으며, 유럽 천문학 연구소의 다국적 컨소시엄이 ESA에 기여하고 있습니다. 애리조나 대학의 조지 리케는 MIRI의 미국 과학 팀 리더입니다. 질리언 라이트는 MIRI의 유럽 과학 팀 책임자입니다.
영국 ATC의 Alistair Glasse는 MIRI 기기 과학자이고 Michael Ressler는 JPL의 미국 프로젝트 과학자입니다. 영국 ATC의 Laszlo Tamas는 유럽 연합을 운영합니다. MIRI 극저온 냉각기 개발은 JPL이 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주 비행 센터와 캘리포니아주 레돈도 비치에 있는 노스럽 그러먼과 협력하여 주도하고 관리했습니다.