Inženieri veic Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa vidējā infrasarkanā instrumenta "pieņemšanu" NASA Godārda kosmosa lidojumu centrā pēc izlidošanas no Apvienotās Karalistes.
JPL lidojumu tehniķi Džonijs Melendezs (pa labi) un Džo Mora pārbauda MIRI kriodzesētāju pirms tā nosūtīšanas uz Northrop Grumman Redondo pludmalē, Kalifornijā. Tur dzesētājs ir piestiprināts pie Webb teleskopa korpusa.
Šī MIRI instrumenta daļa, kas redzama Epltonas laboratorijā Raterfordā, Apvienotajā Karalistē, satur infrasarkanos detektorus. Kriodzesētājs atrodas tālāk no detektora, jo tas darbojas augstākā temperatūrā. Abas daļas savieno caurule, kurā plūst auksts hēlijs.
MIRI (pa kreisi) atrodas uz līdzsvara sijas Northrop Grumman universitātē Redondo pludmalē, kamēr inženieri gatavojas izmantot virsgalvas celtni, lai to piestiprinātu pie integrētā zinātniskā instrumenta moduļa (ISIM). ISIM ir Veba kodols – četri zinātniskie instrumenti, kuros atrodas teleskops.
Pirms MIRI instruments — viens no četriem zinātniskajiem instrumentiem observatorijā — var darboties, tas ir jāatdzesē līdz gandrīz zemākajai temperatūrai, ko matērija var sasniegt.
NASA Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, kura palaišana paredzēta 24. decembrī, ir lielākā kosmosa observatorija vēsturē, un tam ir tikpat sarežģīts uzdevums: savākt infrasarkano gaismu no Visuma tālākajiem nostūriem, ļaujot zinātniekiem izpētīt Visuma struktūru un izcelsmi. Mūsu Visums un mūsu vieta tajā.
Daudzi kosmiskie objekti, tostarp zvaigznes un planētas, kā arī gāze un putekļi, no kuriem tie veidojas, izstaro infrasarkano gaismu, ko dažreiz sauc par termisko starojumu. Taču tāpat ir arī ar lielāko daļu citu siltu objektu, piemēram, tosteriem, cilvēkiem un elektroniku. Tas nozīmē, ka Veba četri infrasarkanie instrumenti var noteikt paši savu infrasarkano gaismu. Lai samazinātu šo emisiju, instrumentam jābūt ļoti aukstam — aptuveni 40 kelvini jeb mīnus 388 grādi pēc Fārenheita (mīnus 233 grādi pēc Celsija). Taču, lai pareizi darbotos, vidējā infrasarkanā instrumenta jeb MIRI iekšpusē esošajiem detektoriem jākļūst aukstākiem: zem 7 kelviniem (mīnus 448 grādi pēc Fārenheita jeb mīnus 266 grādi pēc Celsija).
Tas ir tikai dažus grādus virs absolūtās nulles (0 kelvini) – teorētiski zemākās iespējamās temperatūras, lai gan to nekad nevar fiziski sasniegt, jo tā nozīmē pilnīgu siltuma neesamību. (Tomēr MIRI nav aukstākais attēlveidošanas instruments, kas darbojas kosmosā.)
Temperatūra būtībā ir atomu kustības ātruma mērs, un papildus pašu infrasarkanās gaismas noteikšanai Veba detektorus var iedarbināt arī to pašu termiskās vibrācijas. MIRI uztver gaismu zemākā enerģijas diapazonā nekā pārējie trīs instrumenti. Tā rezultātā tā detektori ir jutīgāki pret termiskajām vibrācijām. Šie nevēlamie signāli ir tas, ko astronomi sauc par "troksni", un tie var nomākt vājos signālus, ko Vebs mēģina noteikt.
Pēc palaišanas Vebs izvietos tenisa korta izmēra vizieri, kas pasargās MIRI un citus instrumentus no saules karstuma, ļaujot tiem pasīvi atdzist. Aptuveni 77 dienas pēc palaišanas MIRI kriodzesētājam būs nepieciešamas 19 dienas, lai samazinātu instrumenta detektoru temperatūru zem 7 kelvina grādiem.
“Uz Zemes ir relatīvi viegli atdzesēt lietas līdz šādai temperatūrai, bieži vien zinātniskiem vai rūpnieciskiem pielietojumiem,” sacīja Konstantīns Penanens, kriodzesētāju eksperts NASA Jet Propulsion Laboratory Dienvidkalifornijā, kas pārvalda MIRI instrumentu NASA vajadzībām. “Taču šīs uz Zemes balstītās sistēmas ir ļoti apjomīgas un energoefektīvas. Kosmosa observatorijai mums ir nepieciešams dzesētājs, kas ir fiziski kompakts, energoefektīvs un tam jābūt ļoti uzticamam, jo ​​mēs nevaram to iziet un salabot. Tātad šie ir izaicinājumi, ar kuriem mēs saskaramies. Šajā ziņā es teiktu, ka MIRI kriodzesētāji noteikti ir priekšplānā.”
Viens no Veba zinātniskajiem mērķiem ir pētīt pirmo Visumā izveidojušos zvaigžņu īpašības. Veba tuvā infrasarkanā kamera jeb NIRCam instruments spēs noteikt šos ārkārtīgi tālos objektus, un MIRI palīdzēs zinātniekiem apstiprināt, ka šie vājie gaismas avoti ir pirmās paaudzes zvaigžņu kopas, nevis otrās paaudzes zvaigznes, kas izveidojušās vēlāk galaktikas evolūcijas gaitā.
Aplūkojot putekļu mākoņus, kas ir biezāki nekā tuvā infrasarkanā starojuma instrumenti, MIRI atklās zvaigžņu dzimšanas vietas. Tas arī noteiks uz Zemes bieži sastopamas molekulas, piemēram, ūdeni, oglekļa dioksīdu un metānu, kā arī klinšainu minerālu, piemēram, silikātu, molekulas vēsā vidē ap tuvējām zvaigznēm, kur var veidoties planētas. Tuvā infrasarkanā starojuma instrumenti labāk spēj noteikt šīs molekulas kā tvaikus karstākā vidē, savukārt MIRI tās var redzēt kā ledu.
“Apvienojot ASV un Eiropas pieredzi, mēs esam izstrādājuši MIRI kā Webb spēku, kas ļaus astronomiem no visas pasaules atbildēt uz svarīgiem jautājumiem par to, kā veidojas un attīstās zvaigznes, planētas un galaktikas,” sacīja Džiliana Raita, MIRI zinātnes komandas līdzvadītāja un Eiropas galvenā pētniece instrumentam Apvienotās Karalistes Astronomijas tehnoloģiju centrā (UK ATC).
MIRI kriodzesētājs izmanto hēlija gāzi — pietiekami, lai piepildītu apmēram deviņus ballīšu balonus —, lai aizvadītu siltumu prom no instrumenta detektoriem. Divi elektriskie kompresori sūknē hēliju caur cauruli, kas stiepjas līdz vietai, kur atrodas detektors. Caurule iet cauri metāla blokam, kas arī ir piestiprināts pie detektora; atdzesētais hēlijs absorbē lieko siltumu no bloka, uzturot detektora darba temperatūru zem 7 kelviniem. Uzkarsētā (bet joprojām aukstā) gāze pēc tam atgriežas kompresorā, kur tā izvada lieko siltumu, un cikls sākas no jauna. Būtībā sistēma ir līdzīga tai, ko izmanto mājsaimniecības ledusskapjos un gaisa kondicionieros.
Caurules, kas pārvadā hēliju, ir izgatavotas no apzeltīta nerūsējošā tērauda, ​​un to diametrs ir mazāks par vienu desmitdaļu collas (2,5 mm). Tās stiepjas aptuveni 30 pēdas (10 metrus) no kompresora, kas atrodas kosmosa kuģa kopnes zonā, līdz MIRI detektoram optiskā teleskopa elementā, kas atrodas aiz observatorijas šūnveida primārā spoguļa. Aparatūra, ko sauc par izvēršamu torņa mezglu jeb DTA, savieno abas zonas. Palaišanai iesaiņojot, DTA tiek saspiests, nedaudz līdzīgi virzulim, lai palīdzētu uzstādīt novietoto observatoriju aizsardzībā raķetes augšpusē. Kad tornis nonāk kosmosā, tas izstiepsies, lai atdalītu istabas temperatūras kosmosa kuģa kopni no vēsākiem optiskā teleskopa instrumentiem un ļautu saulessargam un teleskopam pilnībā izvērsties.
Šajā animācijā ir parādīta Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa izvietošanas ideāla izpilde dažas stundas un dienas pēc palaišanas. Centrālā izvēršamā torņa mezgla paplašināšana palielinās attālumu starp abām MIRI daļām. Tās ir savienotas ar spirālveida caurulēm ar atdzesētu hēliju.
Taču pagarināšanas procesam hēlija caurule ir jāpagarina ar izplešamā torņa mezglu. Tāpēc caurule saritinās kā atspere, tāpēc MIRI inženieri šo caurules daļu nosauca par “Slinky”.
“Strādājot pie sistēmas, kas aptver vairākus observatorijas reģionus, pastāv daži izaicinājumi,” sacīja JPL MIRI programmas vadītāja Analina Šneidere. “Šos dažādos reģionus vada dažādas organizācijas vai centri, tostarp Northrop Grumman un ASV NASA Goddard Kosmosa lidojumu centrs, mums ir jārunā ar visiem. Teleskopā nav citas aparatūras, kam tas būtu jādara, tāpēc tas ir MIRI unikāls izaicinājums. Līdz MIRI kriodzesētāju izveidei noteikti ir bijis garš ceļš, un mēs esam gatavi to redzēt kosmosā.”
Džeimsa Veba kosmiskais teleskops tiks palaists 2021. gadā kā pasaulē vadošā kosmosa zinātnes observatorija. Vebs atklās mūsu Saules sistēmas noslēpumus, ielūkosies tālos planētu apgabalos ap citām zvaigznēm un izpētīs mūsu Visuma un mūsu vietas noslēpumainās struktūras un izcelsmi. Vebs ir starptautiska iniciatīva, ko vada NASA un tās partneri ESA (Eiropas Kosmosa aģentūra) un Kanādas Kosmosa aģentūra.
MIRI tika izstrādāts, pateicoties NASA un ESA (Eiropas Kosmosa aģentūras) 50/50 partnerībai. JPL vada ASV centienus MIRI izstrādē, un ESA darbu nodrošina daudznacionāls Eiropas astronomijas institūtu konsorcijs. MIRI ASV zinātniskās komandas vadītājs ir Džordžs Rīke no Arizonas Universitātes. Džiliana Raita ir MIRI Eiropas zinātniskās komandas vadītāja.
Alisters Glāss no ATC, Apvienotā Karaliste, ir MIRI instrumentu zinātnieks, bet Maikls Reslers ir ASV projektu zinātnieks JPL. Lāslo Tamass no Apvienotās Karalistes ATC ir atbildīgs par Eiropas Savienību. MIRI kriodzesētāja izstrādi vadīja un pārvaldīja JPL sadarbībā ar NASA Godārda Kosmosa lidojumu centru Grīnbeltā, Merilendā, un Northrop Grumman Redondo pludmalē, Kalifornijā.