Inžinieriai NASA Goddardo kosminių skrydžių centre po išvykimo iš JK atlieka Jameso Webbo kosminio teleskopo vidutinio infraraudonojo spektro instrumento „priėmimą“.
JPL skrydžių technikai Johnny Melendez (dešinėje) ir Joe Mora apžiūri MIRI kriogeninį aušintuvą prieš jį išsiunčiant į Northrop Grumman Redondo Bičą, Kalifornijoje. Ten aušintuvas pritvirtintas prie Webb teleskopo korpuso.
Ši MIRI instrumento dalis, matoma Appletono laboratorijoje Rutherforde, JK, turi infraraudonųjų spindulių detektorius. Kriogeninis aušintuvas yra atokiau nuo detektoriaus, nes jis veikia aukštesnėje temperatūroje. Vamzdis, kuriame teka šaltas helis, jungia abi dalis.
MIRI (kairėje) stovi ant balansyro „Northrop Grumman“ teleskopu Redondo Biče, inžinieriams ruošiantis pritvirtinti jį prie integruoto mokslinio instrumento modulio (ISIM) naudojant tiltinį kraną. ISIM yra Webbo branduolys – keturi moksliniai instrumentai, kuriuose įrengtas teleskopas.
Prieš pradedant veikti MIRI prietaisui – vienam iš keturių observatorijos mokslinių prietaisų, – jį reikia atvėsinti iki beveik žemiausios temperatūros, kurią gali pasiekti materija.
NASA Jameso Webbo kosminis teleskopas, kurio paleidimas numatytas gruodžio 24 d., yra didžiausia kosmoso observatorija istorijoje, ir jam tenka ne mažiau nelengva užduotis: rinkti infraraudonąją šviesą iš tolimiausių visatos kampelių, kad mokslininkai galėtų ištirti visatos struktūrą ir kilmę – mūsų visatą ir mūsų vietą joje.
Daugelis kosminių objektų, įskaitant žvaigždes ir planetas, bei dujas ir dulkes, iš kurių jie susidaro, skleidžia infraraudonąją šviesą, kartais vadinamą šilumine spinduliuote. Tačiau tą patį skleidžia ir dauguma kitų šiltų objektų, tokių kaip skrudintuvai, žmonės ir elektronika. Tai reiškia, kad keturi Webbo infraraudonųjų spindulių prietaisai gali aptikti savo infraraudonąją šviesą. Norint sumažinti šią spinduliuotę, prietaisas turi būti labai šaltas – apie 40 kelvinų arba minus 388 laipsnius pagal Farenheitą (minus 233 laipsnius Celsijaus). Tačiau norint tinkamai veikti, vidutinio infraraudonojo spektro prietaiso (MIRI) viduje esantys detektoriai turi atvėsti: žemiau 7 kelvinų (minus 448 laipsniai pagal Farenheitą arba minus 266 laipsniai Celsijaus).
Tai vos keli laipsniai virš absoliutaus nulio (0 kelvinų) – teoriškai žemiausios įmanomos temperatūros, nors fiziškai ji niekada nepasiekiama, nes ji reiškia visišką šilumos nebuvimą. (Tačiau MIRI nėra šalčiausias vaizdo gavimo prietaisas, veikiantis kosmose.)
Temperatūra iš esmės yra atomų judėjimo greičio matas, ir be savo infraraudonųjų spindulių aptikimo, Webb detektoriai gali būti suaktyvinti jų pačių šiluminėmis vibracijomis. MIRI aptinka šviesą žemesniame energijos diapazone nei kiti trys prietaisai. Dėl to jo detektoriai yra jautresni šiluminėms vibracijoms. Šie nepageidaujami signalai yra tai, ką astronomai vadina „triukšmu“, ir jie gali užgožti silpnus signalus, kuriuos Webb bando aptikti.
Po paleidimo Webbas išskleis teniso korto dydžio skydelį, kuris apsaugos MIRI ir kitus prietaisus nuo saulės karščio ir leis jiems pasyviai atvėsti. Maždaug po 77 dienų po paleidimo MIRI kriogeninis aušintuvas per 19 dienų sumažins prietaiso detektorių temperatūrą iki mažiau nei 7 kelvinų.
„Žemėje gana lengva atvėsinti daiktus iki tokios temperatūros, dažnai moksliniams ar pramoniniams tikslams“, – teigė Konstantinas Penanenas, kriogeninių aušintuvų ekspertas NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijoje Pietų Kalifornijoje, kuri NASA valdo MIRI prietaisą. „Tačiau šios Žemėje esančios sistemos yra labai didelės ir neefektyvios energijos vartojimo požiūriu. Kosmoso observatorijai mums reikia aušintuvo, kuris būtų fiziškai kompaktiškas, energiją taupantis ir labai patikimas, nes negalime jo pataisyti. Taigi, su tokiais iššūkiais susiduriame. Šiuo atžvilgiu sakyčiau, kad MIRI kriogeniniai aušintuvai neabejotinai yra priešakyje.“
Vienas iš Webbo mokslinių tikslų – ištirti pirmųjų visatoje susiformavusių žvaigždžių savybes. Webbo artimojo infraraudonojo spinduliavimo kamera arba NIRCam prietaisas galės aptikti šiuos itin tolimus objektus, o MIRI padės mokslininkams patvirtinti, kad šie silpni šviesos šaltiniai yra pirmosios kartos žvaigždžių spiečiai, o ne antrosios kartos žvaigždės, kurios susiformavo vėliau galaktikos evoliucijoje.
Stebėdamas dulkių debesis, kurie yra storesni nei artimojo infraraudonojo spektro prietaisų, MIRI atskleis žvaigždžių gimimo vietas. Jis taip pat aptiks Žemėje įprastas molekules, tokias kaip vanduo, anglies dioksidas ir metanas, taip pat uolinių mineralų, tokių kaip silikatai, molekules vėsioje aplinkoje aplink netoliese esančias žvaigždes, kur gali formuotis planetos. Artimojo infraraudonojo spektro prietaisai geriau aptinka šias molekules kaip garus karštesnėje aplinkoje, o MIRI gali jas matyti kaip ledą.
„Sujungdami JAV ir Europos patirtį, sukūrėme MIRI kaip Webb galią, kuri leis astronomams iš viso pasaulio atsakyti į svarbius klausimus apie tai, kaip formuojasi ir evoliucionuoja žvaigždės, planetos ir galaktikos“, – teigė Gillian Wright, MIRI mokslo komandos vadovė ir Europos pagrindinė šio instrumento tyrėja JK Astronominių technologijų centre (JK ATC).
MIRI kriogeninis aušintuvas naudoja helio dujas – kurių pakaktų pripildyti maždaug devynis vakarėlių balionus – šilumai nunešti nuo prietaiso detektorių. Du elektriniai kompresoriai pumpuoja helį per vamzdelį, kuris tęsiasi iki detektoriaus vietos. Vamzdis eina per metalinį bloką, kuris taip pat pritvirtintas prie detektoriaus; atvėsęs helis sugeria bloko šilumos perteklių, palaikydamas detektoriaus darbinę temperatūrą žemesnę nei 7 kelvinus. Įkaitintos (bet vis dar šaltos) dujos grįžta į kompresorių, kur išstumia šilumos perteklių, ir ciklas prasideda iš naujo. Iš esmės sistema yra panaši į tą, kuri naudojama buitiniuose šaldytuvuose ir oro kondicionieriuose.
Helio vamzdžiai pagaminti iš paauksuoto nerūdijančio plieno ir jų skersmuo yra mažesnis nei viena dešimtoji colio (2,5 mm). Jie tęsiasi apie 30 pėdų (10 metrų) nuo kompresoriaus, esančio erdvėlaivio magistralės srityje, iki MIRI detektoriaus optinio teleskopo elemente, esančiame už observatorijos korio formos pagrindinio veidrodžio. Aparatinė įranga, vadinama išskleidžiamu bokšto mazgu (DTA), jungia šias dvi zonas. Supakuojant paleidimui, DTA yra suspaudžiamas, šiek tiek panašiai kaip stūmoklis, kad padėtų įmontuoti sulankstomą observatoriją į apsaugą raketos viršuje. Patekus į kosmosą, bokštas išsiplės, kad atskirtų kambario temperatūros erdvėlaivio magistralę nuo vėsesnių optinių teleskopo prietaisų ir leistų visiškai išskleisti saulės skydą ir teleskopą.
Šioje animacijoje parodytas idealus Jameso Webbo kosminio teleskopo išskleidimo įgyvendinimas praėjus kelioms valandoms ir dienoms po paleidimo. Centrinio išskleidžiamo bokšto mazgo išplėtimas padidins atstumą tarp dviejų MIRI dalių. Jas jungia spiraliniai vamzdžiai su atvėsintu heliu.
Tačiau pailginimo procesui reikia, kad helio vamzdelis būtų pailgintas kartu su išplečiama bokšto konstrukcija. Taigi vamzdelis susisuka kaip spyruoklė, todėl MIRI inžinieriai šią vamzdžio dalį praminė „Slinky“.
„Dirbant su sistema, apimančia kelis observatorijos regionus, kyla tam tikrų iššūkių“, – sakė JPL MIRI programos vadovė Analyn Schneider. „Šiems skirtingiems regionams vadovauja skirtingos organizacijos ar centrai, įskaitant „Northrop Grumman“ ir JAV NASA Goddardo kosminių skrydžių centrą, turime kalbėtis su visais. Teleskopas neturi jokios kitos įrangos, kuriai reikėtų tai daryti, todėl tai iššūkis, būdingas tik MIRI. MIRI kriogeninių aušintuvų kūrimo kelias tikrai ilgas, ir mes esame pasiruošę tai pamatyti kosmose.“
Jameso Webbo kosminis teleskopas bus paleistas 2021 m. kaip geriausia pasaulyje kosmoso mokslo observatorija. Webbas atskleis mūsų Saulės sistemos paslaptis, žvalgysis į tolimus pasaulius aplink kitas žvaigždes ir tyrinės paslaptingas mūsų visatos bei mūsų vietos struktūras ir kilmę. Webbas yra tarptautinė iniciatyva, kuriai vadovauja NASA ir jos partneriai ESA (Europos kosmoso agentūra) bei Kanados kosmoso agentūra.
MIRI buvo sukurtas bendradarbiaujant NASA ir ESA (Europos kosmoso agentūrai), abiem pusėms bendradarbiaujant. JAV MIRI pastangoms vadovauja JPL, o prie ESA prisideda daugiašalis Europos astronomijos institutų konsorciumas. MIRI JAV mokslinės komandos vadovas yra George'as Rieke'as iš Arizonos universiteto. Gillian Wright yra MIRI Europos mokslinės komandos vadovė.
Alistair Glasse iš ATC, JK, yra MIRI prietaisų mokslininkas, o Michael Ressler – JAV projektų mokslininkas JPL. Laszlo Tamas iš JK ATC yra atsakingas už Europos Sąjungą. MIRI kriogeninio aušintuvo kūrimui vadovavo ir jį valdė JPL, bendradarbiaudama su NASA Goddardo kosminių skrydžių centru Greenbelte, Merilande, ir Northrop Grumman Redondo Biče, Kalifornijoje.