Jurutera menjalankan "penerimaan" instrumen inframerah pertengahan Teleskop Angkasa James Webb di Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA selepas berlepas dari UK.
Juruteknik penerbangan JPL Johnny Melendez (kanan) dan Joe Mora memeriksa penyejuk krio MIRI sebelum menghantarnya ke Northrop Grumman di Redondo Beach, California. Di sana, penyejuk dipasang pada badan teleskop Webb.
Bahagian instrumen MIRI ini, yang dilihat di Makmal Appleton di Rutherford, UK, mengandungi pengesan inframerah. Penyejuk krio terletak jauh dari pengesan kerana ia beroperasi pada suhu yang lebih tinggi. Tiub yang membawa helium sejuk menghubungkan kedua-dua bahagian tersebut.
MIRI (kiri) terletak di atas rasuk imbangan di Northrop Grumman di Redondo Beach ketika para jurutera bersedia untuk menggunakan kren atas untuk memasangnya pada Modul Instrumen Saintifik Bersepadu (ISIM). ISIM ialah teras Webb, empat instrumen sains yang menempatkan teleskop.
Sebelum instrumen MIRI — salah satu daripada empat instrumen sains di balai cerap — boleh beroperasi, ia mesti disejukkan kepada suhu paling sejuk yang boleh dicapai oleh jirim.
Teleskop Angkasa James Webb NASA, yang dijadualkan dilancarkan pada 24 Disember, merupakan balai cerap angkasa terbesar dalam sejarah, dan ia mempunyai tugas yang sama sukarnya: mengumpul cahaya inframerah dari pelosok alam semesta, membolehkan saintis menyelidiki struktur dan asal usul alam semesta. Alam semesta kita dan tempat kita di dalamnya.
Banyak objek kosmik — termasuk bintang dan planet, serta gas dan habuk yang membentuknya — memancarkan cahaya inframerah, kadangkala dipanggil sinaran terma. Begitu juga kebanyakan objek panas lain, seperti pembakar roti, manusia dan elektronik. Ini bermakna empat instrumen inframerah Webb boleh mengesan cahaya inframerah mereka sendiri. Untuk mengurangkan pelepasan ini, instrumen tersebut mestilah sangat sejuk—kira-kira 40 Kelvin, atau tolak 388 darjah Fahrenheit (tolak 233 darjah Celsius). Tetapi untuk berfungsi dengan baik, pengesan di dalam instrumen inframerah pertengahan, atau MIRI, mesti menjadi lebih sejuk: di bawah 7 Kelvin (tolak 448 darjah Fahrenheit, atau tolak 266 darjah Celsius).
Itu hanya beberapa darjah di atas sifar mutlak (0 Kelvin) – suhu paling sejuk yang mungkin secara teorinya, walaupun ia tidak pernah dapat dicapai secara fizikal kerana ia mewakili ketiadaan langsung sebarang haba. (Walau bagaimanapun, MIRI bukanlah instrumen pengimejan paling sejuk yang beroperasi di angkasa lepas.)
Suhu pada asasnya merupakan ukuran seberapa pantas atom bergerak, dan selain mengesan cahaya inframerah mereka sendiri, pengesan Webb boleh dicetuskan oleh getaran terma mereka sendiri. MIRI mengesan cahaya dalam julat tenaga yang lebih rendah daripada tiga instrumen lain. Akibatnya, pengesannya lebih sensitif terhadap getaran terma. Isyarat yang tidak diingini ini adalah apa yang dipanggil oleh ahli astronomi sebagai "bunyi bising", dan ia boleh mengatasi isyarat samar yang cuba dikesan oleh Webb.
Selepas pelancaran, Webb akan menggunakan visor bersaiz gelanggang tenis yang melindungi MIRI dan instrumen lain daripada haba matahari, membolehkannya menyejuk secara pasif. Bermula kira-kira 77 hari selepas pelancaran, penyejuk krio MIRI akan mengambil masa 19 hari untuk mengurangkan suhu pengesan instrumen kepada di bawah 7 Kelvin.
“Agak mudah untuk menyejukkan benda ke suhu tersebut di Bumi, selalunya untuk aplikasi saintifik atau perindustrian,” kata Konstantin Penanen, pakar penyejuk krio di Makmal Pendorongan Jet NASA di California Selatan, yang menguruskan instrumen MIRI untuk NASA. “Tetapi sistem berasaskan Bumi tersebut sangat besar dan tidak cekap tenaga. Untuk sebuah balai cerap angkasa lepas, kita memerlukan penyejuk yang padat secara fizikal, cekap tenaga dan ia mesti sangat andal kerana kita tidak boleh keluar dan membaikinya. Jadi inilah cabaran yang kita hadapi, dalam hal itu, saya akan mengatakan penyejuk krio MIRI pastinya berada di barisan hadapan.”
Salah satu matlamat saintifik Webb adalah untuk mengkaji sifat-sifat bintang pertama yang terbentuk di alam semesta. Kamera inframerah dekat Webb atau instrumen NIRCam akan dapat mengesan objek yang sangat jauh ini, dan MIRI akan membantu saintis mengesahkan bahawa sumber cahaya samar ini adalah gugusan bintang generasi pertama, bukannya bintang generasi kedua yang terbentuk kemudian dalam evolusi galaksi.
Dengan melihat awan debu yang lebih tebal daripada instrumen inframerah dekat, MIRI akan mendedahkan tempat kelahiran bintang. Ia juga akan mengesan molekul yang biasa ditemui di Bumi — seperti air, karbon dioksida dan metana, serta molekul mineral berbatu seperti silikat — dalam persekitaran sejuk di sekitar bintang berdekatan, tempat planet mungkin terbentuk. Instrumen inframerah dekat lebih baik dalam mengesan molekul ini sebagai wap dalam persekitaran yang lebih panas, manakala MIRI boleh melihatnya sebagai ais.
"Dengan menggabungkan kepakaran AS dan Eropah, kami telah membangunkan MIRI sebagai kuasa Webb, yang akan membolehkan ahli astronomi dari seluruh dunia menjawab persoalan besar tentang bagaimana bintang, planet dan galaksi terbentuk dan berkembang," kata Gillian Wright, Ketua Bersama pasukan sains MIRI dan Penyiasat Utama Eropah untuk instrumen di Pusat Teknologi Astronomi UK (UK ATC).
Penyejuk krio MIRI menggunakan gas helium—cukup untuk mengisi kira-kira sembilan belon parti—untuk membawa haba keluar dari pengesan instrumen. Dua pemampat elektrik mengepam helium melalui tiub yang memanjang ke tempat pengesan berada. Tiub tersebut mengalir melalui blok logam yang juga dipasang pada pengesan; helium yang disejukkan menyerap haba berlebihan dari blok, mengekalkan suhu operasi pengesan di bawah 7 Kelvin. Gas yang dipanaskan (tetapi masih sejuk) kemudian kembali ke pemampat, di mana ia mengeluarkan haba berlebihan, dan kitaran bermula semula. Pada asasnya, sistem ini serupa dengan yang digunakan dalam peti sejuk dan penghawa dingin isi rumah.
Paip-paip yang membawa helium diperbuat daripada keluli tahan karat bersalut emas dan berdiameter kurang daripada sepersepuluh inci (2.5 mm). Ia memanjang kira-kira 30 kaki (10 meter) dari pemampat yang terletak di kawasan bas kapal angkasa ke pengesan MIRI dalam elemen teleskop optik yang terletak di belakang cermin utama sarang lebah balai cerap. Perkakasan yang dipanggil pemasangan menara boleh gerak, atau DTA, menghubungkan kedua-dua kawasan tersebut. Apabila dibungkus untuk pelancaran, DTA dimampatkan, seperti omboh, untuk membantu memasang balai cerap yang disimpan ke dalam perlindungan di atas roket. Sebaik sahaja di angkasa lepas, menara akan memanjang untuk memisahkan bas kapal angkasa suhu bilik daripada instrumen teleskop optik yang lebih sejuk dan membolehkan pelindung matahari dan teleskop bergerak sepenuhnya.
Animasi ini menunjukkan pelaksanaan ideal Teleskop Angkasa James Webb beberapa jam dan hari selepas pelancaran. Pengembangan pemasangan menara pusat yang boleh dikerahkan akan meningkatkan jarak antara dua bahagian MIRI. Ia dihubungkan oleh tiub heliks dengan helium yang disejukkan.
Tetapi proses pemanjangan memerlukan tiub helium dipanjangkan dengan pemasangan menara yang boleh dikembangkan. Jadi tiub itu bergelung seperti spring, itulah sebabnya jurutera MIRI menggelarkan bahagian tiub ini sebagai "Slinky".
“Terdapat beberapa cabaran dalam mengusahakan sistem yang merangkumi pelbagai kawasan di balai cerap,” kata Analyn Schneider, pengurus program JPL MIRI. “Wilayah-wilayah berbeza ini diketuai oleh organisasi atau pusat yang berbeza, termasuk Northrop Grumman dan Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA AS, kami perlu berbincang dengan semua orang. Tiada perkakasan lain pada teleskop yang perlu berbuat demikian, jadi ia merupakan cabaran yang unik untuk MIRI. Ia sememangnya satu barisan panjang untuk jalan cryocoolers MIRI, dan kami bersedia untuk melihatnya di angkasa lepas.”
Teleskop Angkasa James Webb akan dilancarkan pada tahun 2021 sebagai balai cerap sains angkasa lepas utama dunia. Webb akan merungkai misteri sistem suria kita, melihat dunia yang jauh di sekeliling bintang lain, dan meneroka struktur misteri dan asal usul alam semesta dan tempat kita. Webb ialah inisiatif antarabangsa yang diketuai oleh NASA dan rakan kongsinya ESA (Agensi Angkasa Eropah) dan Agensi Angkasa Kanada.
MIRI dibangunkan melalui perkongsian 50-50 antara NASA dan ESA (Agensi Angkasa Eropah). JPL menerajui usaha AS untuk MIRI, dan konsortium multinasional institut astronomi Eropah menyumbang kepada ESA. George Rieke dari Universiti Arizona ialah ketua pasukan sains MIRI AS. Gillian Wright ialah ketua pasukan saintifik Eropah MIRI.
Alistair Glasse dari ATC, UK ialah Saintis Instrumen MIRI dan Michael Ressler ialah Saintis Projek AS di JPL. Laszlo Tamas dari ATC UK mentadbir Kesatuan Eropah. Pembangunan penyejuk krio MIRI diketuai dan diuruskan oleh JPL dengan kerjasama Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, dan Northrop Grumman di Redondo Beach, California.