Engenheiros realizam um teste de "aceitação" do instrumento de infravermelho médio do Telescópio Espacial James Webb no Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA, após sua partida do Reino Unido.
Os técnicos de voo do JPL, Johnny Melendez (à direita) e Joe Mora, inspecionam o criorefrigerador MIRI antes de enviá-lo para a Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia. Lá, o criorefrigerador é acoplado ao corpo do telescópio Webb.
Esta parte do instrumento MIRI, vista no Laboratório Appleton em Rutherford, Reino Unido, contém detectores de infravermelho. O criorefrigerador está localizado longe do detector porque opera a uma temperatura mais alta. Um tubo contendo hélio frio conecta as duas seções.
O MIRI (à esquerda) está posicionado em uma viga de equilíbrio na Northrop Grumman em Redondo Beach, enquanto os engenheiros se preparam para usar um guindaste suspenso para fixá-lo ao Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM). O ISIM é o núcleo do Webb, composto pelos quatro instrumentos científicos que abrigam o telescópio.
Antes que o instrumento MIRI — um dos quatro instrumentos científicos do observatório — possa operar, ele precisa ser resfriado a uma temperatura próxima à mais baixa 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 desafiadora: coletar luz infravermelha de cantos remotos 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 que os compõem — emitem luz infravermelha, às vezes chamada de radiação térmica. Mas o mesmo acontece com a maioria dos outros objetos quentes, como torradeiras, seres humanos e aparelhos eletrônicos. Isso significa que os quatro instrumentos infravermelhos do Webb podem detectar sua própria luz infravermelha. Para reduzir essas emissões, o instrumento precisa estar muito frio — cerca de 40 Kelvin, ou -388 graus Fahrenheit (-233 graus Celsius). Mas, para funcionar corretamente, os detectores dentro do instrumento de infravermelho médio, ou MIRI, precisam ficar ainda mais frios: abaixo de 7 Kelvin (-448 graus Fahrenheit, ou -266 graus Celsius).
Isso representa apenas alguns graus acima do zero absoluto (0 Kelvin) – a temperatura mais fria teoricamente possível, embora nunca seja fisicamente alcançável, pois representa a completa ausência de calor. (No entanto, o MIRI não é o instrumento de imagem mais frio em operação no espaço.)
A temperatura é essencialmente uma medida da velocidade de movimento dos átomos e, além de detectar sua própria luz infravermelha, os detectores do Webb podem ser ativados 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 a vibrações térmicas. Esses sinais indesejados são o que os astrônomos chamam de "ruído" e podem mascarar os sinais fracos que o Webb está tentando detectar.
Após o lançamento, o Webb implantará uma viseira do tamanho de uma quadra de tênis que protegerá o MIRI e outros instrumentos do calor do Sol, permitindo que eles se resfriem passivamente. Cerca de 77 dias após o lançamento, o criorefrigerador do MIRI levará 19 dias para reduzir a temperatura dos detectores do instrumento para menos de 7 Kelvin.
“É relativamente fácil resfriar coisas a essa temperatura na Terra, muitas vezes para aplicações científicas ou industriais”, disse Konstantin Penanen, especialista em criorefrigeradores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, no sul da Califórnia, que administra 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 refrigerador que seja fisicamente compacto, eficiente em termos de energia e altamente confiável, porque não podemos ir lá e consertá-lo. Esses são os desafios que enfrentamos. Nesse sentido, eu diria que os criorefrigeradores do MIRI estão definitivamente na vanguarda.”
Um dos objetivos científicos do Webb é estudar as propriedades das primeiras estrelas que se formaram no universo. A câmera de infravermelho próximo do Webb, ou instrumento NIRCam, será capaz de detectar esses objetos extremamente distantes, e o MIRI ajudará os cientistas a confirmar se essas tênues fontes de luz são aglomerados de estrelas de primeira geração, e não estrelas de segunda geração que se formaram posteriormente na evolução de uma galáxia.
Ao observar nuvens de poeira mais densas do que os instrumentos de infravermelho próximo, o MIRI revelará os locais de nascimento das estrelas. Ele também detectará moléculas comuns na Terra — como água, dióxido de carbono e metano, bem como moléculas de minerais rochosos, como silicatos — nos ambientes frios ao redor de estrelas próximas, onde planetas podem se formar. Os instrumentos de infravermelho próximo são mais eficazes na detecção dessas moléculas como vapores em ambientes mais quentes, enquanto o MIRI pode vê-las como gelo.
“Ao combinar a experiência dos EUA e da Europa, desenvolvemos o MIRI como o poder do Webb, que permitirá aos astrônomos de todo o mundo responder a grandes questões sobre como as estrelas, os planetas e as galáxias se formam e evoluem”, disse Gillian Wright, co-líder da equipe científica do MIRI e Investigadora Principal Europeia do instrumento no Centro de Tecnologia Astronômica do Reino Unido (UK ATC).
O criorefrigerador do MIRI utiliza gás hélio — o suficiente para encher cerca de nove balões de festa — para dissipar o calor dos detectores do instrumento. Dois compressores elétricos bombeiam o hélio através de um tubo que se estende até o local onde o detector está situado. O tubo atravessa um bloco de metal também conectado ao detector; o hélio resfriado absorve o excesso de calor do bloco, mantendo a temperatura de operação do detector abaixo de 7 Kelvin. O gás aquecido (mas ainda frio) retorna então ao compressor, onde expulsa o excesso de calor, e o ciclo recomeça. Fundamentalmente, o sistema é semelhante ao utilizado em refrigeradores e condicionadores de ar domésticos.
Os tubos que transportam hélio são feitos de aço inoxidável banhado a ouro e têm menos de 2,5 mm de diâmetro. Eles se estendem por cerca de 10 metros, desde o compressor localizado na área da plataforma da espaçonave até o detector MIRI no elemento do telescópio óptico, situado atrás do espelho primário em forma de colmeia do observatório. Um componente chamado conjunto de torre implantável (DTA, na sigla em inglês) conecta as duas áreas. Quando compactado para o lançamento, o DTA é comprimido, como um pistão, para auxiliar na instalação do observatório armazenado na proteção no topo do foguete. Uma vez no espaço, a torre se estenderá para separar a plataforma da espaçonave, que opera em temperatura ambiente, dos instrumentos mais frios do telescópio óptico, permitindo que o para-sol e o telescópio se abram completamente.
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 exige que o tubo de hélio seja estendido com o conjunto da torre expansível. Assim, o tubo se enrola como uma mola, razão pela qual os engenheiros do MIRI apelidaram essa parte do tubo de "Slinky".
“Existem alguns desafios em trabalhar em um sistema que abrange várias 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, e precisamos conversar com todos. Não há nenhum outro hardware no telescópio que precise fazer isso, então é um desafio exclusivo do MIRI. Definitivamente, foi uma longa jornada até os criorefrigeradores do MIRI, e estamos ansiosos para vê-los no espaço.”
O Telescópio Espacial James Webb será lançado em 2021 como o principal observatório de ciência espacial do mundo. O Webb desvendará os mistérios do nosso sistema solar, observará mundos distantes ao redor de outras estrelas e explorará as estruturas misteriosas e as origens do nosso universo e do nosso lugar no mundo. 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 americana do MIRI. Gillian Wright é a chefe da equipe científica europeia do MIRI.
Alistair Glasse, do ATC, Reino Unido, é Cientista de Instrumentos do MIRI, e Michael Ressler é Cientista de Projeto dos EUA no JPL. Laszlo Tamas, também do ATC, Reino Unido, é o responsável pela União Europeia. O desenvolvimento do criorefrigerador do MIRI foi liderado e gerenciado pelo JPL em colaboração com o Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, e a Northrop Grumman, em Redondo Beach, Califórnia.