Ingenieurs voeren een 'acceptatie' uit van het mid-infrarood instrument van de James Webb-ruimtetelescoop in het Goddard Space Flight Center van NASA nadat ze vertrokken vanuit het Verenigd Koninkrijk.
JPL-vluchttechnici Johnny Melendez (rechts) en Joe Mora inspecteren de MIRI-cryokoeler voordat deze naar Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië, wordt verzonden. Daar wordt de koeler aan de behuizing van de Webb-telescoop bevestigd.
Dit onderdeel van het MIRI-instrument, te zien in het Appleton Laboratory in Rutherford, Verenigd Koninkrijk, bevat infrarooddetectoren. De cryogene koeler bevindt zich op afstand van de detector, omdat deze op een hogere temperatuur werkt. Een buis met koud helium verbindt de twee gedeelten.
MIRI (links) staat op een evenwichtsbalk bij Northrop Grumman in Redondo Beach terwijl ingenieurs zich voorbereiden om het met een bovenloopkraan te bevestigen aan de Integrated Scientific Instrument Module (ISIM). De ISIM is de kern van Webb en bestaat uit de vier wetenschappelijke instrumenten die de telescoop huisvesten.
Voordat het MIRI-instrument — een van de vier wetenschappelijke instrumenten op het observatorium — kan werken, moet het worden afgekoeld tot bijna de laagste temperatuur die materie kan bereiken.
De James Webb-ruimtetelescoop van NASA, die op 24 december wordt gelanceerd, is het grootste ruimteobservatorium in de geschiedenis en heeft een al even uitdagende taak: het verzamelen van infraroodlicht uit de verste uithoeken van het heelal, zodat wetenschappers de structuur en oorsprong van het heelal kunnen onderzoeken: ons heelal en onze plaats daarin.
Veel kosmische objecten – waaronder sterren en planeten, en het gas en stof waaruit ze ontstaan ​​– zenden infraroodlicht uit, ook wel thermische straling genoemd. Maar dat geldt ook voor de meeste andere warme objecten, zoals broodroosters, mensen en elektronica. Dat betekent dat de vier infraroodinstrumenten van Webb hun eigen infraroodlicht kunnen detecteren. Om deze straling te verminderen, moet het instrument erg koud zijn – ongeveer 40 Kelvin, of -233 graden Celsius (min 388 graden Fahrenheit). Maar om goed te functioneren, moeten de detectoren in het mid-infraroodinstrument, of MIRI, kouder worden: lager dan 7 Kelvin (min 448 graden Fahrenheit, of -266 graden Celsius).
Dat is slechts een paar graden boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) – de laagste temperatuur die theoretisch mogelijk is, hoewel dit fysiek nooit haalbaar is omdat het de totale afwezigheid van warmte vertegenwoordigt. (MIRI is echter niet het koudste beeldvormende instrument dat in de ruimte functioneert.)
Temperatuur is in wezen een maatstaf voor hoe snel atomen bewegen. Naast het detecteren van hun eigen infraroodlicht, kunnen Webb-detectoren ook worden geactiveerd door hun eigen thermische trillingen. MIRI detecteert licht in een lager energiebereik dan de andere drie instrumenten. Daardoor zijn de detectoren gevoeliger voor thermische trillingen. Deze ongewenste signalen worden door astronomen 'ruis' genoemd en kunnen de zwakke signalen die Webb probeert te detecteren, overstemmen.
Na de lancering zal Webb een vizier ter grootte van een tennisbaan uitvouwen dat MIRI en andere instrumenten beschermt tegen de hitte van de zon, zodat ze passief kunnen afkoelen. Ongeveer 77 dagen na de lancering zal de cryogene koeler van MIRI 19 dagen nodig hebben om de temperatuur van de detectoren van het instrument te verlagen tot onder de 7 Kelvin.
"Het is relatief eenvoudig om dingen op aarde tot die temperatuur af te koelen, vaak voor wetenschappelijke of industriële toepassingen", aldus Konstantin Penanen, expert in cryokoelers bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, dat het MIRI-instrument voor NASA beheert. "Maar die systemen op aarde zijn erg omvangrijk en energie-inefficiënt. Voor een ruimteobservatorium hebben we een koeler nodig die fysiek compact en energiezuinig is, en die bovendien zeer betrouwbaar moet zijn, omdat we hem niet zelf kunnen repareren. Dit zijn dus de uitdagingen waar we voor staan. In dat opzicht zou ik zeggen dat MIRI-cryokoelers absoluut vooroplopen."
Een van Webbs wetenschappelijke doelen is het bestuderen van de eigenschappen van de eerste sterren die in het heelal ontstonden. Met behulp van Webbs nabij-infraroodcamera, oftewel het NIRCam-instrument, kunnen deze extreem verre objecten worden gedetecteerd. Met MIRI kunnen wetenschappers bevestigen dat deze zwakke lichtbronnen clusters van sterren van de eerste generatie zijn, en niet van sterren van de tweede generatie die later in de evolutie van een sterrenstelsel zijn ontstaan.
Door te kijken naar stofwolken die dikker zijn dan nabij-infraroodinstrumenten, zal MIRI de geboorteplaatsen van sterren onthullen. Het zal ook moleculen detecteren die veel voorkomen op aarde - zoals water, koolstofdioxide en methaan, evenals moleculen van gesteente mineralen zoals silicaten - in de koele omgevingen rond nabijgelegen sterren, waar planeten kunnen ontstaan. Nabij-infraroodinstrumenten zijn beter in staat om deze moleculen te detecteren als dampen in warmere omgevingen, terwijl MIRI ze kan zien als ijs.
"Door de expertise van de VS en Europa te combineren, hebben we MIRI ontwikkeld als de kracht van Webb, waarmee astronomen van over de hele wereld grote vragen kunnen beantwoorden over hoe sterren, planeten en sterrenstelsels ontstaan ​​en evolueren", aldus Gillian Wright, mede-leider van het MIRI-wetenschapsteam en Europees hoofdonderzoeker voor het instrument bij het UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
De MIRI-cryokoeler gebruikt heliumgas (genoeg om ongeveer negen feestballonnen te vullen) om hitte weg te voeren van de detectoren van het instrument. Twee elektrische compressoren pompen helium door een buis die naar de detector loopt. De buis loopt door een blok metaal dat ook aan de detector is bevestigd; het gekoelde helium absorbeert overtollige hitte uit het blok, waardoor de bedrijfstemperatuur van de detector onder de 7 Kelvin blijft. Het verwarmde (maar nog steeds koude) gas keert vervolgens terug naar de compressor, waar het de overtollige hitte afvoert en de cyclus opnieuw begint. In principe is het systeem vergelijkbaar met dat van huishoudelijke koelkasten en airconditioners.
De buizen waardoor helium wordt vervoerd, zijn gemaakt van verguld roestvrij staal en hebben een diameter van minder dan een tiende van een inch (2,5 mm). Ze lopen ongeveer 10 meter van de compressor in het ruimteschip naar de MIRI-detector in het optische telescoopelement achter de honingraatvormige primaire spiegel van het observatorium. De twee gedeelten worden verbonden door een hardwarematige verbinding, de zogenaamde uitvouwbare torenassemblage (DTA). Wanneer de DTA is ingepakt voor de lancering, wordt deze samengedrukt, een beetje zoals een zuiger, zodat de opgeborgen observatorium beter in de bescherming bovenop de raket kan worden geplaatst. Eenmaal in de ruimte wordt de toren uitgeschoven om het ruimteschip, dat op kamertemperatuur is, te scheiden van de koelere optische telescoopinstrumenten, zodat de zonnekap en telescoop volledig kunnen worden uitgevouwen.
Deze animatie toont de ideale uitvoering van de inzet van de James Webb-ruimtetelescoop, enkele uren en dagen na de lancering. De uitzetting van de centrale, uitvouwbare torenconstructie vergroot de afstand tussen de twee delen van de MIRI. Ze zijn met elkaar verbonden door spiraalvormige buizen met gekoeld helium.
Maar voor het verlengingsproces is het nodig dat de heliumbuis wordt verlengd met de uitbreidbare torenconstructie. De buis krult zich dus op als een veer, wat de reden is dat MIRI-ingenieurs dit onderdeel van de buis de bijnaam "Slinky" hebben gegeven.
"Er zijn een aantal uitdagingen bij het werken aan een systeem dat meerdere delen van het observatorium bestrijkt", aldus Analyn Schneider, programmamanager van JPL MIRI. "Deze verschillende delen worden geleid door verschillende organisaties of centra, waaronder Northrop Grumman en het Goddard Space Flight Center van de Amerikaanse NASA. We moeten met iedereen overleggen. Er is geen andere hardware in de telescoop die dat nodig heeft, dus het is een unieke uitdaging voor MIRI. Het heeft zeker een lange weg gekost om de cryokoelers van MIRI te ontwikkelen, en we zijn er klaar voor om het in de ruimte te zien."
De James Webb-ruimtetelescoop wordt in 2021 gelanceerd als 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium. Webb gaat de mysteries van ons zonnestelsel ontrafelen, naar verre werelden rond andere sterren kijken en de mysterieuze structuren en oorsprongen van ons heelal en onze plek onderzoeken. Webb is een internationaal initiatief onder leiding van NASA en haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.
MIRI is ontwikkeld door een 50-50-samenwerking tussen NASA en ESA (European Space Agency). JPL leidt de Amerikaanse inspanningen voor MIRI en een multinationaal consortium van Europese astronomische instituten levert een bijdrage aan ESA. George Rieke van de Universiteit van Arizona is de leider van het Amerikaanse wetenschappelijke team van MIRI. Gillian Wright is het hoofd van het Europese wetenschappelijke team van MIRI.
Alistair Glasse van ATC, VK, is MIRI-instrumentwetenschapper en Michael Ressler is US-projectwetenschapper bij JPL. Laszlo Tamas van het Britse ATC leidt de Europese Unie. De ontwikkeling van de MIRI-cryokoeler werd geleid en beheerd door JPL in samenwerking met NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië.