Инженеры проводят приемку среднеинфракрасного прибора космического телескопа имени Джеймса Уэбба в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА после вылета из Великобритании.
Технические специалисты JPL по летной технике Джонни Мелендес (справа) и Джо Мора осматривают криоохладитель MIRI перед отправкой его в компанию Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Там охладитель крепится к корпусу телескопа Уэбба.
Эта часть прибора MIRI, показанная в лаборатории Эпплтона в Резерфорде, Великобритания, содержит инфракрасные детекторы. Криоохладитель расположен вдали от детектора, поскольку работает при более высокой температуре. Трубка, по которой подается холодный гелий, соединяет две секции.
На заводе Northrop Grumman в Редондо-Бич телескоп MIRI (слева) установлен на балансировочной балке, пока инженеры готовятся с помощью мостового крана прикрепить его к интегрированному научному приборному модулю (ISIM). ISIM — это ядро ​​телескопа Webb, состоящее из четырех научных приборов, которые вмещают телескоп.
Прежде чем прибор MIRI — один из четырех научных приборов обсерватории — сможет работать, его необходимо охладить почти до самой низкой температуры, которую может достичь вещество.
Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, запуск которого запланирован на 24 декабря, является крупнейшей космической обсерваторией в истории, и перед ним стоит не менее сложная задача: сбор инфракрасного излучения из самых отдаленных уголков Вселенной, что позволит ученым исследовать структуру и происхождение Вселенной. Наша Вселенная и наше место в ней.
Многие космические объекты, включая звезды и планеты, а также газ и пыль, из которых они образуются, излучают инфракрасный свет, иногда называемый тепловым излучением. Но то же самое делают и большинство других теплых объектов, таких как тостеры, люди и электроника. Это означает, что четыре инфракрасных прибора телескопа Уэбба могут обнаруживать собственное инфракрасное излучение. Чтобы уменьшить это излучение, прибор должен быть очень холодным — около 40 Кельвинов, или минус 388 градусов по Фаренгейту (минус 233 градуса по Цельсию). Но для правильной работы детекторы внутри среднеинфракрасного прибора (MIRI) должны быть холоднее: ниже 7 Кельвинов (минус 448 градусов по Фаренгейту, или минус 266 градусов по Цельсию).
Это всего лишь несколько градусов выше абсолютного нуля (0 Кельвинов) — самой низкой температуры, теоретически возможной, хотя физически она недостижима, поскольку представляет собой полное отсутствие тепла. (Однако MIRI не является самым холодным прибором для получения изображений, работающим в космосе.)
Температура, по сути, является мерой скорости движения атомов, и помимо обнаружения собственного инфракрасного света, детекторы Webb могут срабатывать от собственных тепловых колебаний. MIRI обнаруживает свет в более низком энергетическом диапазоне, чем три других инструмента. В результате его детекторы более чувствительны к тепловым колебаниям. Эти нежелательные сигналы астрономы называют «шумом», и они могут заглушать слабые сигналы, которые пытается обнаружить Webb.
После запуска телескоп Webb развернет защитный козырек размером с теннисный корт, который будет защищать MIRI и другие приборы от солнечного тепла, позволяя им пассивно охлаждаться. Примерно через 77 дней после запуска криоохладителю MIRI потребуется 19 дней, чтобы снизить температуру детекторов прибора до уровня ниже 7 Кельвинов.
«На Земле относительно легко охладить объекты до такой температуры, часто для научных или промышленных целей», — сказал Константин Пенанен, эксперт по криоохладителям из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, которая управляет прибором MIRI для НАСА. «Но эти наземные системы очень громоздки и энергоэффективны. Для космической обсерватории нам нужен охладитель, который был бы физически компактным, энергоэффективным и очень надежным, потому что мы не можем выехать и починить его. Вот с какими проблемами мы сталкиваемся. В этом отношении я бы сказал, что криоохладители MIRI определенно находятся на переднем крае».
Одна из научных целей телескопа Вебба — изучение свойств первых звёзд, образовавшихся во Вселенной. Ближнеинфракрасная камера Вебба, или прибор NIRCam, сможет обнаружить эти чрезвычайно далёкие объекты, а MIRI поможет учёным подтвердить, что эти слабые источники света представляют собой скопления звёзд первого поколения, а не звёзды второго поколения, образовавшиеся позже в процессе эволюции галактики.
Изучая пылевые облака, которые толще, чем позволяют приборы ближнего инфракрасного диапазона, MIRI позволит обнаружить места рождения звезд. Он также сможет обнаружить молекулы, обычно встречающиеся на Земле, такие как вода, углекислый газ и метан, а также молекулы каменистых минералов, например силикатов, в холодных средах вокруг близлежащих звезд, где могут формироваться планеты. Приборы ближнего инфракрасного диапазона лучше обнаруживают эти молекулы в виде паров в более горячих средах, в то время как MIRI может видеть их как лед.
«Объединив опыт США и Европы, мы разработали MIRI как мощный инструмент телескопа Webb, который позволит астрономам со всего мира отвечать на важные вопросы о том, как формируются и развиваются звезды, планеты и галактики», — сказала Джиллиан Райт, соруководитель научной группы MIRI и главный европейский исследователь этого прибора в Астрономическом технологическом центре Великобритании (UK ATC).
Криоохладитель MIRI использует гелий — количество, достаточное для наполнения примерно девяти воздушных шариков — для отвода тепла от детекторов прибора. Два электрических компрессора прокачивают гелий через трубку, которая ведет к месту расположения детектора. Трубка проходит через металлический блок, также прикрепленный к детектору; охлажденный гелий поглощает избыточное тепло от блока, поддерживая рабочую температуру детектора ниже 7 Кельвинов. Нагретый (но все еще холодный) газ затем возвращается в компрессор, где он отводит избыточное тепло, и цикл начинается снова. В принципе, система аналогична той, что используется в бытовых холодильниках и кондиционерах.
Трубы, по которым транспортируется гелий, изготовлены из позолоченной нержавеющей стали и имеют диаметр менее одной десятой дюйма (2,5 мм). Они простираются примерно на 30 футов (10 метров) от компрессора, расположенного в отсеке космического аппарата, до детектора MIRI в оптическом телескопическом элементе, расположенном за сотовым главным зеркалом обсерватории. Эти две зоны соединены оборудованием, называемым развертываемой башней (DTA). При упаковке для запуска DTA сжимается, подобно поршню, чтобы помочь установить сложенную обсерваторию в защитный кожух на верхней части ракеты. В космосе башня развернется, чтобы отделить отсек космического аппарата с комнатной температурой от более холодных оптических телескопических приборов и позволить солнцезащитному козырьку и телескопу полностью развернуться.
Эта анимация демонстрирует идеальное выполнение развертывания космического телескопа Джеймса Уэбба через несколько часов и дней после запуска. Расширение центральной развертываемой башни увеличит расстояние между двумя частями MIRI. Они соединены спиральными трубами с охлажденным гелием.
Однако процесс удлинения требует, чтобы гелиевая трубка удлинялась с помощью расширяемой башни. Поэтому трубка скручивается, как пружина, именно поэтому инженеры MIRI прозвали эту часть трубки «Слинки».
«Работа над системой, охватывающей несколько регионов обсерватории, сопряжена с определенными трудностями», — сказала Аналин Шнайдер, руководитель программы MIRI в JPL. «Эти разные регионы возглавляют разные организации или центры, включая Northrop Grumman и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, и нам приходится общаться со всеми. На телескопе нет другого оборудования, которое требовало бы этого, поэтому это уникальная задача для MIRI. Путь к созданию криоохладителей для MIRI был долгим, и мы готовы увидеть их в космосе».
Космический телескоп имени Джеймса Уэбба будет запущен в 2021 году и станет ведущей в мире космической научной обсерваторией. Уэбб раскроет тайны нашей Солнечной системы, заглянет в далекие миры вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в ней. Проект «Уэбб» — это международная инициатива, возглавляемая НАСА и его партнерами — ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством.
Проект MIRI был разработан в рамках партнерства между НАСА и ЕКА (Европейским космическим агентством) на паритетных условиях (50/50). Лаборатория реактивного движения (JPL) возглавляет работу США над проектом MIRI, а многонациональный консорциум европейских астрономических институтов вносит свой вклад в ЕКА. Джордж Рике из Университета Аризоны является руководителем американской научной группы MIRI. Джиллиан Райт возглавляет европейскую научную группу MIRI.
Алистер Гласс из ATC (Великобритания) является научным сотрудником, ответственным за прибор MIRI, а Майкл Ресслер — научным руководителем проекта в JPL (Лаборатория реактивного движения США). Ласло Тамаш из ATC (Великобритания) руководит проектом в Европейском союзе. Разработка криоохладителя MIRI осуществлялась и контролировалась JPL в сотрудничестве с Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и компанией Northrop Grumman в Редондо-Бич, штат Калифорния.