Engenheiros realizam uma “aceitação” do instrumento infravermelho médio do Telescópio Espacial James Webb no Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA após partir do Reino Unido.
Os técnicos de voo do JPL Johnny Melendez (à direita) e Joe Mora inspecionam o criocooler MIRI antes de enviá-lo para a Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia. Lá, o refrigerador é conectado ao corpo do telescópio Webb.
Esta parte do instrumento MIRI, vista no Laboratório Appleton em Rutherford, Reino Unido, contém detectores infravermelhos. O crio-resfriador está localizado longe do detector porque opera em uma temperatura mais alta. Um tubo transportando hélio frio conecta as duas seções.
O MIRI (à esquerda) está sentado em uma trave de equilíbrio no Northrop Grumman em Redondo Beach enquanto engenheiros se preparam para usar um guindaste para acoplá-lo ao Módulo de Instrumento Científico Integrado (ISIM). O ISIM é o núcleo do Webb, os quatro instrumentos científicos que abrigam o telescópio.
Antes que o instrumento MIRI — um dos quatro instrumentos científicos do observatório — possa operar, ele deve ser resfriado até quase a temperatura mais fria que a matéria pode atingir.
O Telescópio Espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 24 de dezembro, é o maior observatório espacial da história e tem uma tarefa igualmente assustadora: coletar luz infravermelha de cantos distantes do universo, permitindo que os cientistas investiguem a estrutura e as origens do universo. Nosso universo e nosso lugar nele.
Muitos objetos cósmicos — incluindo estrelas e planetas, e o gás e a poeira dos quais eles se formam — emitem luz infravermelha, às vezes chamada de radiação térmica. Mas o mesmo ocorre com a maioria dos outros objetos quentes, como torradeiras, humanos e eletrônicos. Isso significa que os quatro instrumentos infravermelhos do Webb podem detectar sua própria luz infravermelha. Para reduzir essas emissões, o instrumento deve estar muito frio — cerca de 40 Kelvin, ou menos 388 graus Fahrenheit (menos 233 graus Celsius). Mas, para funcionar corretamente, os detectores dentro do instrumento de infravermelho médio, ou MIRI, devem ficar mais frios: abaixo de 7 Kelvin (menos 448 graus Fahrenheit, ou menos 266 graus Celsius).
Isso é apenas alguns graus acima do zero absoluto (0 Kelvin) — a temperatura mais fria teoricamente possível, embora nunca seja fisicamente atingível porque representa a ausência completa de qualquer calor. (No entanto, o MIRI não é o instrumento de imagem mais frio em operação no espaço.)
A temperatura é essencialmente uma medida de quão rápido os átomos estão se movendo e, além de detectar sua própria luz infravermelha, os detectores Webb podem ser acionados por suas próprias vibrações térmicas. O MIRI detecta luz em uma faixa de energia mais baixa do que os outros três instrumentos. Como resultado, seus detectores são mais sensíveis às vibrações térmicas. Esses sinais indesejados são o que os astrônomos chamam de "ruído" e podem sobrepujar os sinais fracos que o Webb está tentando detectar.
Após o lançamento, o Webb implantará um visor do tamanho de uma quadra de tênis que protegerá o MIRI e outros instrumentos do calor do sol, permitindo que eles resfriem passivamente. Cerca de 77 dias após o lançamento, o crio-resfriador do MIRI levará 19 dias para reduzir a temperatura dos detectores do instrumento para menos de 7 Kelvin.
“É relativamente fácil resfriar objetos a essa temperatura na Terra, frequentemente para aplicações científicas ou industriais”, disse Konstantin Penanen, especialista em crio-resfriadores no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, no sul da Califórnia, que gerencia o instrumento MIRI para a NASA. “Mas esses sistemas terrestres são muito volumosos e ineficientes em termos de energia. Para um observatório espacial, precisamos de um resfriador fisicamente compacto, energeticamente eficiente e altamente confiável, pois não podemos sair e consertá-lo. Então, esses são os desafios que enfrentamos. Nesse sentido, eu diria que os crio-resfriadores MIRI estão definitivamente na vanguarda.”
Um dos objetivos científicos de Webb é estudar as propriedades das primeiras estrelas que se formaram no universo. A câmera infravermelha próxima de Webb, ou instrumento NIRCam, será capaz de detectar esses objetos extremamente distantes, e o MIRI ajudará os cientistas a confirmar que essas fontes fracas de luz são aglomerados de estrelas de primeira geração, em vez de estrelas de segunda geração que se formaram mais tarde na evolução de uma galáxia.
Ao observar nuvens de poeira mais espessas do que os instrumentos de infravermelho próximo, o MIRI revelará os locais de nascimento das estrelas. Ele também detectará moléculas comumente encontradas na Terra — como água, dióxido de carbono e metano, bem como moléculas de minerais rochosos, como silicatos — em ambientes frios ao redor de estrelas próximas, onde planetas podem se formar. Os instrumentos de infravermelho próximo são melhores em detectar essas moléculas como vapores em ambientes mais quentes, enquanto o MIRI pode vê-las como gelo.
“Ao combinar a expertise dos EUA e da Europa, desenvolvemos o MIRI como o poder do Webb, que permitirá que astrônomos do mundo todo respondam a grandes questões sobre como estrelas, planetas e galáxias se formam e evoluem”, disse Gillian Wright, colíder da equipe científica do MIRI e pesquisadora principal europeia do instrumento no Centro de Tecnologia Astronômica do Reino Unido (UK ATC).
O crioresfriador MIRI usa gás hélio — o suficiente para encher cerca de nove balões de festa — para transportar o calor para longe dos detectores do instrumento. Dois compressores elétricos bombeiam hélio através de um tubo que se estende até onde o detector está localizado. O tubo atravessa um bloco de metal que também está conectado ao detector; o hélio resfriado absorve o excesso de calor do bloco, mantendo a temperatura operacional do detector abaixo de 7 Kelvin. O gás aquecido (mas ainda frio) retorna ao compressor, onde expele o excesso de calor, e o ciclo começa novamente. Fundamentalmente, o sistema é semelhante ao usado em refrigeradores e condicionadores de ar domésticos.
Os tubos que transportam o hélio são feitos de aço inoxidável banhado a ouro e têm menos de um décimo de polegada (2,5 mm) de diâmetro. Eles se estendem por cerca de 30 pés (10 metros) do compressor localizado na área do ônibus espacial até o detector MIRI no elemento do telescópio óptico localizado atrás do espelho primário em formato de favo de mel do observatório. O hardware chamado conjunto de torre implantável, ou DTA, conecta as duas áreas. Quando embalado para o lançamento, o DTA é comprimido, um pouco como um pistão, para ajudar a instalar o observatório armazenado na proteção no topo do foguete. Uma vez no espaço, a torre se estenderá para separar o ônibus espacial em temperatura ambiente dos instrumentos mais frios do telescópio óptico e permitir que o para-sol e o telescópio sejam totalmente implantados.
Esta animação mostra a execução ideal da implantação do Telescópio Espacial James Webb horas e dias após o lançamento. A expansão do conjunto da torre central implantável aumentará a distância entre as duas partes do MIRI. Elas são conectadas por tubos helicoidais com hélio resfriado.
Mas o processo de alongamento requer que o tubo de hélio seja estendido com o conjunto de torre expansível. Então o tubo se enrola como uma mola, e é por isso que os engenheiros da MIRI apelidaram essa parte do tubo de "Slinky".
“Existem alguns desafios em trabalhar em um sistema que abrange múltiplas regiões do observatório”, disse Analyn Schneider, gerente do programa MIRI do JPL. “Essas diferentes regiões são lideradas por diferentes organizações ou centros, incluindo a Northrop Grumman e o Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA dos EUA. Precisamos conversar com todos. Não há nenhum outro hardware no telescópio que precise fazer isso, então é um desafio exclusivo do MIRI. Definitivamente, tem sido um longo caminho para os crioresfriadores do MIRI, e estamos prontos para vê-lo no espaço.”
O Telescópio Espacial James Webb será lançado em 2021 como o principal observatório de ciências espaciais do mundo. O Webb desvendará os mistérios do nosso sistema solar, observará mundos distantes ao redor de outras estrelas e explorará as estruturas e origens misteriosas do nosso universo e do nosso lugar. O Webb é uma iniciativa internacional liderada pela NASA e seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.
O MIRI foi desenvolvido por meio de uma parceria 50-50 entre a NASA e a ESA (Agência Espacial Europeia). O JPL lidera o esforço dos EUA para o MIRI, e um consórcio multinacional de institutos astronômicos europeus contribui para a ESA. George Rieke, da Universidade do Arizona, é o líder da equipe científica dos EUA do MIRI. Gillian Wright é a chefe da equipe científica europeia do MIRI.
Alistair Glasse, do ATC, Reino Unido, é cientista de instrumentos MIRI e Michael Ressler é cientista de projetos dos EUA no JPL. Laszlo Tamas, do ATC do Reino Unido, administra a União Europeia. O desenvolvimento do crioresfriador MIRI foi liderado e gerenciado pelo JPL em colaboração com o Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e o Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia.