Ingeniører gjennomfører en «godkjenning» av James Webb-romteleskopets mid-infrarøde instrument ved NASAs Goddard Space Flight Center etter avreise fra Storbritannia.
JPLs flyteknikere Johnny Melendez (til høyre) og Joe Mora inspiserer MIRI-kryokjøleren før de sender den til Northrop Grumman i Redondo Beach, California. Der er kjøleren festet til Webb-teleskopets kropp.
Denne delen av MIRI-instrumentet, som er sett ved Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannia, inneholder infrarøde detektorer. Kryokjøleren er plassert et stykke unna detektoren fordi den opererer ved en høyere temperatur. Et rør som fører kaldt helium forbinder de to seksjonene.
MIRI (til venstre) står på en balansebom hos Northrop Grumman i Redondo Beach mens ingeniører forbereder seg på å bruke en traverskran for å feste den til den integrerte vitenskapelige instrumentmodulen (ISIM). ISIM er Webbs kjerne, de fire vitenskapelige instrumentene som huser teleskopet.
Før MIRI-instrumentet – et av de fire vitenskapelige instrumentene på observatoriet – kan fungere, må det kjøles ned til nesten den kaldeste temperaturen materie kan nå.
NASAs James Webb-romteleskop, som etter planen skal skytes opp 24. desember, er historiens største romobservatorium, og det har en like krevende oppgave: å samle infrarødt lys fra fjerne hjørner av universet, slik at forskere kan undersøke universets struktur og opprinnelse. Vårt univers og vår plass i det.
Mange kosmiske objekter – inkludert stjerner og planeter, og gassen og støvet de dannes fra – sender ut infrarødt lys, noen ganger kalt termisk stråling. Men det samme gjelder de fleste andre varme objekter, som brødristere, mennesker og elektronikk. Det betyr at Webbs fire infrarøde instrumenter kan oppdage sitt eget infrarøde lys. For å redusere disse utslippene må instrumentet være veldig kaldt – omtrent 40 Kelvin, eller minus 388 grader Fahrenheit (minus 233 grader Celsius). Men for å fungere ordentlig må detektorene inne i det midtinfrarøde instrumentet, eller MIRI, bli kaldere: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit, eller minus 266 grader Celsius).
Det er bare noen få grader over det absolutte nullpunkt (0 Kelvin) – den kaldeste temperaturen som er teoretisk mulig, selv om den aldri er fysisk oppnåelig fordi den representerer fullstendig fravær av varme. (MIRI er imidlertid ikke det kaldeste bildeinstrumentet som opererer i rommet.)
Temperatur er i hovedsak et mål på hvor raskt atomer beveger seg, og i tillegg til å oppdage sitt eget infrarøde lys, kan Webb-detektorer utløses av sine egne termiske vibrasjoner. MIRI oppdager lys i et lavere energiområde enn de tre andre instrumentene. Som et resultat er detektorene mer følsomme for termiske vibrasjoner. Disse uønskede signalene er det astronomene kaller «støy», og de kan overdøve de svake signalene Webb prøver å oppdage.
Etter oppskytningen vil Webb utplassere et visir på størrelse med en tennisbane som beskytter MIRI og andre instrumenter mot solvarmen, slik at de kan kjøles ned passivt. Fra omtrent 77 dager etter oppskytningen vil MIRIs kryokjøler bruke 19 dager på å redusere temperaturen på instrumentets detektorer til under 7 Kelvin.
«Det er relativt enkelt å kjøle ting ned til den temperaturen på jorden, ofte for vitenskapelige eller industrielle applikasjoner», sa Konstantin Penanen, en kryokjølerekspert ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Sør-California, som administrerer MIRI-instrumentet for NASA. «Men disse jordbaserte systemene er svært klumpete og energieffektive. For et romobservatorium trenger vi en kjøler som er fysisk kompakt, energieffektiv, og den må være svært pålitelig fordi vi ikke kan gå ut og fikse den. Så dette er utfordringene vi står overfor. I så måte vil jeg si at MIRI-kryokjølere definitivt er i forkant.»
Et av Webbs vitenskapelige mål er å studere egenskapene til de første stjernene som ble dannet i universet. Webbs nær-infrarøde kamera eller NIRCam-instrument vil kunne oppdage disse ekstremt fjerne objektene, og MIRI vil hjelpe forskere med å bekrefte at disse svake lyskildene er klynger av førstegenerasjonsstjerner, snarere enn andregenerasjonsstjerner som ble dannet senere i en galakseutvikling.
Ved å se på støvskyer som er tykkere enn nær-infrarøde instrumenter, vil MIRI avsløre fødestedene til stjerner. Den vil også oppdage molekyler som vanligvis finnes på jorden – som vann, karbondioksid og metan, samt molekyler av steinete mineraler som silikater – i de kjølige miljøene rundt nærliggende stjerner, der planeter kan dannes. Nær-infrarøde instrumenter er bedre til å oppdage disse molekylene som damper i varmere miljøer, mens MIRI kan se dem som is.
«Ved å kombinere amerikansk og europeisk ekspertise har vi utviklet MIRI som kraften i Webb, som vil gjøre det mulig for astronomer fra hele verden å svare på store spørsmål om hvordan stjerner, planeter og galakser dannes og utvikler seg», sa Gillian Wright, medleder for MIRI-forskningsteamet og europeisk hovedforsker for instrumentet ved UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
MIRI-kryokjøleren bruker heliumgass – nok til å fylle omtrent ni festballonger – for å føre varme bort fra instrumentets detektorer. To elektriske kompressorer pumper helium gjennom et rør som strekker seg til der detektoren er plassert. Røret går gjennom en metallblokk som også er festet til detektoren; det avkjølte heliumet absorberer overflødig varme fra blokken, og holder detektorens driftstemperatur under 7 Kelvin. Den oppvarmede (men fortsatt kalde) gassen returnerer deretter til kompressoren, hvor den avgir overflødig varme, og syklusen starter på nytt. I bunn og grunn ligner systemet på det som brukes i husholdningskjøleskap og klimaanlegg.
Rørene som fører helium er laget av gullbelagt rustfritt stål og er mindre enn en tiendedels tomme (2,5 mm) i diameter. Den strekker seg omtrent 10 meter fra kompressoren som er plassert i romfartøybussområdet til MIRI-detektoren i det optiske teleskopelementet som er plassert bak observatoriets bikakeformede primærspeil. Maskinvare kalt en utfoldbar tårnenhet, eller DTA, forbinder de to områdene. Når DTA er pakket for oppskytning, komprimeres den, litt som et stempel, for å hjelpe med å installere det stuede observatoriet i beskyttelsen på toppen av raketten. Når tårnet er i rommet, vil det strekke seg ut for å skille romfartøybussen i romtemperatur fra de kjøligere optiske teleskopinstrumentene og la solskjermen og teleskopet foldes helt ut.
Denne animasjonen viser den ideelle utførelsen av utplasseringen av James Webb-romteleskopet timer og dager etter oppskytning. Utvidelsen av den sentrale utplasserbare tårnenheten vil øke avstanden mellom de to delene av MIRI. De er forbundet med spiralformede rør med avkjølt helium.
Men forlengelsesprosessen krever at heliumrøret forlenges med den utvidbare tårnenheten. Så røret kveiler seg som en fjær, og det er derfor MIRI-ingeniørene ga denne delen av røret kallenavnet «Slinky».
«Det er noen utfordringer med å jobbe med et system som strekker seg over flere regioner i observatoriet», sa Analyn Schneider, programleder for JPL MIRI. «Disse forskjellige regionene ledes av forskjellige organisasjoner eller sentre, inkludert Northrop Grumman og det amerikanske NASAs Goddard Space Flight Center, vi må snakke med alle. Det er ikke noe annet utstyr på teleskopet som trenger å gjøre det, så det er en utfordring som er unik for MIRI. Det har definitivt vært en lang kø for MIRIs kryokjølere, og vi er klare til å se det i verdensrommet.»
James Webb-romteleskopet skal skytes opp i 2021 som verdens fremste observatorium for romforskning. Webb vil avdekke mysteriene i solsystemet vårt, se på fjerne verdener rundt andre stjerner og utforske de mystiske strukturene og opprinnelsen til universet vårt og vår plass. Webb er et internasjonalt initiativ ledet av NASA og partnerne ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.
MIRI ble utviklet gjennom et 50/50-partnerskap mellom NASA og ESA (European Space Agency). JPL leder den amerikanske innsatsen for MIRI, og et multinasjonalt konsortium av europeiske astronomiske institutter bidrar til ESA. George Rieke ved University of Arizona er leder for MIRIs amerikanske vitenskapsteam. Gillian Wright er leder for MIRIs europeiske vitenskapsteam.
Alistair Glasse fra ATC i Storbritannia er instrumentforsker ved MIRI, og Michael Ressler er amerikansk prosjektforsker ved JPL. Laszlo Tamas fra ATC i Storbritannia leder EU. Utviklingen av MIRI-kryokjøleren ble ledet og administrert av JPL i samarbeid med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og Northrop Grumman i Redondo Beach, California.