Inginerii efectuează o „recepție” a instrumentului în infraroșu mediu al Telescopului Spațial James Webb la Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA, după plecarea din Marea Britanie.
Tehnicienii de zbor JPL, Johnny Melendez (dreapta) și Joe Mora, inspectează criorăcitorul MIRI înainte de a-l expedia la Northrop Grumman din Redondo Beach, California. Acolo, răcitorul este atașat la corpul telescopului Webb.
Această parte a instrumentului MIRI, observată la Laboratorul Appleton din Rutherford, Marea Britanie, conține detectoare cu infraroșu. Criocoolerul este amplasat departe de detector, deoarece funcționează la o temperatură mai ridicată. Un tub care transportă heliu rece conectează cele două secțiuni.
MIRI (stânga) stă pe o bârnă de echilibru la Northrop Grumman din Redondo Beach, în timp ce inginerii se pregătesc să folosească o macara suspendată pentru a-l atașa la Modulul de Instrumente Științifice Integrate (ISIM). ISIM este nucleul lui Webb, cele patru instrumente științifice care găzduiesc telescopul.
Înainte ca instrumentul MIRI - unul dintre cele patru instrumente științifice ale observatorului - să poată funcționa, acesta trebuie răcit până la o temperatură aproape minimă pe care o poate atinge materia.
Telescopul spațial James Webb al NASA, programat să fie lansat pe 24 decembrie, este cel mai mare observator spațial din istorie și are o sarcină la fel de dificilă: colectarea luminii infraroșii din colțuri îndepărtate ale universului, permițând oamenilor de știință să investigheze structura și originile universului. Universul nostru și locul nostru în el.
Multe obiecte cosmice - inclusiv stelele și planetele, precum și gazul și praful din care se formează - emit lumină infraroșie, uneori numită radiație termică. Dar la fel sunt și majoritatea celorlalte obiecte calde, cum ar fi prăjitoarele de pâine, oamenii și electronicele. Aceasta înseamnă că cele patru instrumente cu infraroșu ale lui Webb își pot detecta propria lumină infraroșie. Pentru a reduce aceste emisii, instrumentul trebuie să fie foarte rece - aproximativ 40 Kelvin, sau minus 388 grade Fahrenheit (minus 233 grade Celsius). Dar pentru a funcționa corect, detectoarele din interiorul instrumentului cu infraroșu mediu, sau MIRI, trebuie să se răcească: sub 7 Kelvin (minus 448 grade Fahrenheit, sau minus 266 grade Celsius).
Asta înseamnă doar câteva grade peste zero absolut (0 Kelvin) – cea mai scăzută temperatură teoretic posibilă, deși nu este niciodată atinsă fizic, deoarece reprezintă absența completă a oricărei călduri. (Cu toate acestea, MIRI nu este cel mai rece instrument de imagistică care funcționează în spațiu.)
Temperatura este, în esență, o măsură a vitezei de mișcare a atomilor și, pe lângă detectarea propriei lumini infraroșii, detectoarele Webb pot fi declanșate de propriile vibrații termice. MIRI detectează lumina într-un interval de energie mai mic decât celelalte trei instrumente. Prin urmare, detectoarele sale sunt mai sensibile la vibrațiile termice. Aceste semnale nedorite sunt ceea ce astronomii numesc „zgomot” și pot copleși semnalele slabe pe care Webb încearcă să le detecteze.
După lansare, Webb va instala o vizieră de dimensiunea unui teren de tenis, care va proteja MIRI și alte instrumente de căldura soarelui, permițându-le să se răcească pasiv. Începând cu aproximativ 77 de zile de la lansare, criocooler-ul MIRI va avea nevoie de 19 zile pentru a reduce temperatura detectorilor instrumentului sub 7 grade Kelvin.
„Este relativ ușor să răcești lucrurile la acea temperatură pe Pământ, adesea pentru aplicații științifice sau industriale”, a declarat Konstantin Penanen, expert în criocoolere la Laboratorul de Propulsie cu Jet al NASA din California de Sud, care gestionează instrumentul MIRI pentru NASA. „Dar aceste sisteme terestre sunt foarte voluminoase și ineficiente din punct de vedere energetic. Pentru un observator spațial, avem nevoie de un răcitor compact din punct de vedere fizic, eficient din punct de vedere energetic și care trebuie să fie extrem de fiabil, deoarece nu putem ieși și să-l reparăm. Așadar, acestea sunt provocările cu care ne confruntăm. În acest sens, aș spune că criocoolerele MIRI sunt cu siguranță în prim-plan.”
Unul dintre obiectivele științifice ale lui Webb este studierea proprietăților primelor stele care s-au format în univers. Camera în infraroșu apropiat a lui Webb, sau instrumentul NIRCam, va putea detecta aceste obiecte extrem de îndepărtate, iar MIRI va ajuta oamenii de știință să confirme că aceste surse slabe de lumină sunt roiuri de stele din prima generație, mai degrabă decât stele din a doua generație care s-au format ulterior în evoluția unei galaxii.
Privind norii de praf care sunt mai groși decât instrumentele în infraroșu apropiat, MIRI va dezvălui locurile de naștere ale stelelor. De asemenea, va detecta molecule întâlnite în mod obișnuit pe Pământ - cum ar fi apa, dioxidul de carbon și metanul, precum și molecule de minerale stâncoase, cum ar fi silicații - în mediile reci din jurul stelelor din apropiere, unde se pot forma planete. Instrumentele în infraroșu apropiat sunt mai eficiente la detectarea acestor molecule sub formă de vapori în medii mai calde, în timp ce MIRI le poate vedea sub formă de gheață.
„Combinând expertiza americană și europeană, am dezvoltat MIRI ca putere a Webb, care va permite astronomilor din întreaga lume să răspundă la marile întrebări despre modul în care se formează și evoluează stelele, planetele și galaxiile”, a declarat Gillian Wright, co-conducătoare a echipei științifice MIRI și cercetătoare principală europeană pentru instrumentul de la Centrul de Tehnologie Astronomică din Regatul Unit (UK ATC).
Criocoolerul MIRI folosește heliu gazos - suficient pentru a umple aproximativ nouă baloane de petrecere - pentru a transporta căldura departe de detectoarele instrumentului. Două compresoare electrice pompează heliu printr-un tub care se extinde până la locul unde se află detectorul. Tubul trece printr-un bloc de metal care este, de asemenea, atașat la detector; heliul răcit absoarbe excesul de căldură din bloc, menținând temperatura de funcționare a detectorului sub 7 Kelvin. Gazul încălzit (dar încă rece) se întoarce apoi la compresor, unde elimină excesul de căldură, iar ciclul începe din nou. În esență, sistemul este similar cu cel utilizat în frigiderele și aparatele de aer condiționat de uz casnic.
Țevile care transportă heliu sunt fabricate din oțel inoxidabil placat cu aur și au un diametru mai mic de 2,5 mm. Se extinde pe aproximativ 10 metri de la compresorul situat în zona magistralei navei spațiale până la detectorul MIRI din elementul telescopului optic situat în spatele oglinzii primare de tip fagure a observatorului. Un hardware numit ansamblu turn desfășurabil, sau DTA, conectează cele două zone. Când este ambalat pentru lansare, DTA este comprimat, cam ca un piston, pentru a ajuta la instalarea observatorului depozitat în protecția de pe partea superioară a rachetei. Odată ajuns în spațiu, turnul se va extinde pentru a separa magistrala navei spațiale la temperatura camerei de instrumentele telescopului optic mai reci și pentru a permite parasolarului și telescopului să se desfășoare complet.
Această animație prezintă execuția ideală a implementării Telescopului Spațial James Webb la câteva ore și zile după lansare. Extinderea ansamblului turnului central desfășurabil va crește distanța dintre cele două părți ale MIRI. Acestea sunt conectate prin tuburi elicoidale cu heliu răcit.
Însă procesul de alungire necesită ca tubul de heliu să fie extins cu ansamblul turnului extensibil. Așadar, tubul se înfășoară ca un arc, motiv pentru care inginerii MIRI au poreclit această parte a tubului „Slinky”.
„Există unele provocări în lucrul la un sistem care se întinde pe mai multe regiuni ale observatorului”, a declarat Analyn Schneider, managerul de program JPL MIRI. „Aceste regiuni diferite sunt conduse de diferite organizații sau centre, inclusiv Northrop Grumman și Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA din SUA, trebuie să discutăm cu toată lumea. Nu există alt hardware pe telescop care să aibă nevoie de acest lucru, așa că este o provocare specifică MIRI. Cu siguranță a fost un lung parcurs pentru criocoolerele MIRI și suntem gata să-l vedem în spațiu.”
Telescopul Spațial James Webb va fi lansat în 2021 ca principal observator științific spațial din lume. Webb va dezlega misterele sistemului nostru solar, va privi către lumi îndepărtate din jurul altor stele și va explora structurile și originile misterioase ale universului nostru și ale locului în care ne aflăm. Webb este o inițiativă internațională condusă de NASA și partenerii săi ESA (Agenția Spațială Europeană) și Agenția Spațială Canadiană.
MIRI a fost dezvoltat printr-un parteneriat 50-50 între NASA și ESA (Agenția Spațială Europeană). JPL conduce efortul SUA pentru MIRI, iar un consorțiu multinațional de institute astronomice europene contribuie la ESA. George Rieke de la Universitatea din Arizona este liderul echipei științifice americane a MIRI. Gillian Wright este șefa echipei științifice europene a MIRI.
Alistair Glasse de la ATC, Marea Britanie, este cercetător în domeniul instrumentelor MIRI, iar Michael Ressler este cercetător în cadrul proiectului american la JPL. Laszlo Tamas de la ATC, Marea Britanie, conduce Uniunea Europeană. Dezvoltarea criocoolerului MIRI a fost condusă și gestionată de JPL în colaborare cu Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA din Greenbelt, Maryland, și Northrop Grumman din Redondo Beach, California.