Инженеры проводят «приемку» прибора среднего инфракрасного диапазона космического телескопа имени Джеймса Уэбба в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА после вылета из Великобритании.
Техники JPL Джонни Мелендес (справа) и Джо Мора осматривают криоохладитель MIRI перед его отправкой в ​​Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Там охладитель крепится к корпусу телескопа Уэбба.
Эта часть прибора MIRI, представленная в лаборатории Эпплтона в Резерфорде, Великобритания, содержит инфракрасные детекторы. Криоохладитель расположен вдали от детектора, поскольку он работает при более высокой температуре. Трубка, по которой течет холодный гелий, соединяет две секции.
MIRI (слева) установлен на балансире в Northrop Grumman в Редондо-Бич, пока инженеры готовятся использовать мостовой кран для его крепления к Интегрированному научному приборному модулю (ISIM). ISIM — это ядро ​​Уэбба, четыре научных инструмента, в которых размещается телескоп.
Прежде чем прибор MIRI — один из четырех научных приборов обсерватории — сможет работать, его необходимо охладить почти до самой низкой температуры, которой может достичь материя.
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 24 декабря, является крупнейшей космической обсерваторией в истории, и перед ним стоит не менее сложная задача: собирать инфракрасный свет из отдаленных уголков Вселенной, позволяя 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 происходит и с большинством других теплых объектов, таких как тостеры, люди и электроника. Это означает, что четыре инфракрасных прибора Уэбба могут обнаруживать свой собственный инфракрасный свет. 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 прибора среднего инфракрасного диапазона, или MIRI, должны стать холоднее: ниже 7 Кельвинов (минус 448 градусов по Фаренгейту или минус 266 градусов по Цельсию).
Это всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (0 Кельвинов) — самая низкая температура, теоретически возможная, хотя физически она недостижима, поскольку означает полное отсутствие тепла. (Однако MIRI — не самый холодный прибор для получения изображений, работающий в космосе.)
Температура по сути является мерой того, насколько быстро движутся атомы, и в дополнение к обнаружению собственного инфракрасного света детекторы Уэбба могут срабатывать от собственных тепловых колебаний. MIRI обнаруживает свет в более низком энергетическом диапазоне, чем три других прибора. В результате его детекторы более чувствительны к тепловым колебаниям. Эти нежелательные сигналы — это то, что астрономы называют «шумом», и они могут подавлять слабые сигналы, которые Уэбб пытается обнаружить.
После запуска Уэбб развернет козырек размером с теннисный корт, который защитит MIRI и другие приборы от солнечного тепла, что позволит им пассивно охлаждаться. Криоохладитель MIRI, который начнет работу примерно через 77 дней после запуска, за 19 дней снизит температуру детекторов прибора до уровня ниже 7 градусов Кельвина.
«Относительно легко охладить вещи до такой температуры на Земле, часто для научных или промышленных целей», — сказал Константин Пенанен, эксперт по криоохладителям в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, который управляет прибором MIRI для NASA. «Но эти наземные системы очень громоздкие и энергетически неэффективные. Для космической обсерватории нам нужен охладитель, который был бы физически компактным, энергоэффективным и очень надежным, потому что мы не могли бы выйти и починить его. Так что это те проблемы, с которыми мы сталкиваемся. В этом отношении я бы сказал, что криоохладители MIRI определенно находятся на переднем крае».
Одной из научных целей Уэбба является изучение свойств первых звезд, образовавшихся во Вселенной. Камера Уэбба, работающая в ближнем инфракрасном диапазоне, или инструмент NIRCam, сможет обнаружить эти чрезвычайно далекие объекты, а MIRI поможет ученым подтвердить, что эти слабые источники света являются скоплениями звезд первого поколения, а не звездами второго поколения, которые образовались позже в ходе эволюции галактики.
Рассматривая пылевые облака, которые толще, чем у приборов ближнего инфракрасного диапазона, MIRI покажет места рождения звезд. Он также обнаружит молекулы, обычно встречающиеся на Земле, такие как вода, углекислый газ и метан, а также молекулы каменистых минералов, таких как силикаты, в прохладных средах вокруг близлежащих звезд, где могут формироваться планеты. Приборы ближнего инфракрасного диапазона лучше обнаруживают эти молекулы как пары в более горячих средах, в то время как MIRI может видеть их как лед.
«Объединив опыт США и Европы, мы разработали MIRI как мощь Уэбба, которая позволит астрономам со всего мира ответить на важные вопросы о том, как формируются и развиваются звезды, планеты и галактики», — сказала Джиллиан Райт, соруководитель научной группы MIRI и главный европейский исследователь инструмента в Британском центре астрономических технологий (UK ATC).
Криоохладитель MIRI использует газообразный гелий — его хватило бы для наполнения примерно девяти воздушных шаров — для отвода тепла от детекторов прибора. Два электрических компрессора качают гелий через трубку, которая простирается до того места, где расположен детектор. Трубка проходит через металлический блок, который также прикреплен к детектору; охлажденный гелий поглощает избыточное тепло из блока, поддерживая рабочую температуру детектора ниже 7 градусов Кельвина. Затем нагретый (но все еще холодный) газ возвращается в компрессор, где он вытесняет избыточное тепло, и цикл начинается снова. По сути, система похожа на ту, что используется в бытовых холодильниках и кондиционерах.
Трубы, по которым подается 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 зоне автобуса космического корабля, до детектора MIRI в оптическом телескопическом элементе, расположенном за сотовым главным зеркалом обсерватории. Оборудование, называемое развертываемой башней, или DTA, соединяет две зоны. При упаковке для запуска DTA сжимается, как поршень, чтобы помочь установить сложенную обсерваторию в защиту наверху ракеты. Оказавшись в космосе, башня выдвинется, чтобы отделить автобус космического корабля с комнатной температурой от более холодных оптических инструментов телескопа и позволить солнцезащитному козырьку и телескопу полностью развернуться.
На этой анимации показано 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 трубками с охлажденным гелием.
Однако процесс удлинения требует, чтобы гелиевая трубка была удлинена с помощью расширяемой башни. Таким образом, трубка скручивается подобно пружине, поэтому инженеры MIRI прозвали эту часть трубки «Slinky».
«Есть некоторые сложности в работе над системой, которая охватывает несколько регионов обсерватории», — сказал Аналин Шнайдер, менеджер программы JPL MIRI. «Этими различными регионами руководят разные организации или центры, включая Northrop Grumman и Центр космических полетов имени Годдарда НАСА США, нам нужно общаться со всеми. На телескопе нет другого оборудования, которому нужно это делать, так что это уникальная проблема для MIRI. Это определенно был долгий путь для криокулеров MIRI, и мы готовы увидеть их в космосе».
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет запущен в 2021 году и станет ведущей в мире обсерваторией космической науки. Уэбб раскроет тайны нашей Солнечной системы, заглянет в далекие миры вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места. Уэбб — это международная инициатива, возглавляемая NASA и его партнерами ESA (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством.
MIRI был разработан в рамках партнерства 50/50 между NASA и ESA (Европейским космическим агентством). JPL возглавляет работу США по MIRI, а многонациональный консорциум европейских астрономических институтов вносит свой вклад в ESA. Джордж Рике из Университета Аризоны является руководителем американской научной группы MIRI. Джиллиан Райт является главой европейской научной группы MIRI.
Алистер Гласс из ATC, Великобритания — научный сотрудник по приборам MIRI, а Майкл Ресслер — научный сотрудник по американским проектам в JPL. Ласло Тамас из ATC Великобритании руководит Европейским союзом. Разработка криоохладителя MIRI проводилась под руководством и управлением JPL в сотрудничестве с Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и Northrop Grumman в Редондо-Бич, штат Калифорния.