Inžinieri vykonávajú „preberanie“ prístroja pre strednú infračervenú oblasť vesmírneho teleskopu Jamesa Webba v Goddardovom vesmírnom letovom centre NASA po odlete z Veľkej Británie.
Letoví technici JPL Johnny Melendez (vpravo) a Joe Mora kontrolujú kryochladič MIRI pred jeho odoslaním do spoločnosti Northrop Grumman v Redondo Beach v Kalifornii. Tam je chladič pripevnený k telu teleskopu Webb.
Táto časť prístroja MIRI, ktorú možno vidieť v laboratóriu Appleton v Rutherforde vo Veľkej Británii, obsahuje infračervené detektory. Kryochladič je umiestnený ďalej od detektora, pretože pracuje pri vyššej teplote. Tieto dve časti spája trubica so studeným héliom.
MIRI (vľavo) sedí na kladine v spoločnosti Northrop Grumman v Redondo Beach, zatiaľ čo inžinieri sa pripravujú použiť mostový žeriav na jeho pripojenie k Integrovanému vedeckému prístrojovému modulu (ISIM). ISIM je jadrom Webbovho teleskopu, teda štyrmi vedeckými prístrojmi, ktoré ho uchovávajú.
Predtým, ako bude môcť prístroj MIRI – jeden zo štyroch vedeckých prístrojov na observatóriu – fungovať, musí byť ochladený na takmer najnižšiu teplotu, akú môže hmota dosiahnuť.
Vesmírny teleskop Jamesa Webba agentúry NASA, ktorého štart je naplánovaný na 24. decembra, je najväčším vesmírnym observatóriom v histórii a má rovnako náročnú úlohu: zhromažďovať infračervené svetlo z odľahlých kútov vesmíru, čo vedcom umožní skúmať štruktúru a pôvod vesmíru. Náš vesmír a naše miesto v ňom.
Mnohé kozmické objekty – vrátane hviezd a planét a plynu a prachu, z ktorých sa tvoria – vyžarujú infračervené svetlo, niekedy nazývané tepelné žiarenie. Rovnako však vyžaruje aj väčšina ostatných teplých objektov, ako sú hriankovače, ľudia a elektronika. To znamená, že štyri infračervené prístroje spoločnosti Webb dokážu detekovať vlastné infračervené svetlo. Na zníženie týchto emisií musí byť prístroj veľmi studený – približne 40 Kelvinov alebo mínus 388 stupňov Fahrenheita (mínus 233 stupňov Celzia). Aby však detektory vo vnútri prístroja so strednou infračervenou oblasťou alebo MIRI fungovali správne, musia sa ochladiť: pod 7 Kelvinov (mínus 448 stupňov Fahrenheita alebo mínus 266 stupňov Celzia).
To je len niekoľko stupňov nad absolútnou nulou (0 Kelvinov) – najnižšia teoreticky možná teplota, hoci fyzicky nie je nikdy dosiahnuteľná, pretože predstavuje úplnú absenciu akéhokoľvek tepla. (MIRI však nie je najchladnejším zobrazovacím prístrojom pôsobiacim vo vesmíre.)
Teplota je v podstate mierou toho, ako rýchlo sa atómy pohybujú, a okrem detekcie vlastného infračerveného svetla môžu byť detektory Webb spustené aj vlastnými tepelnými vibráciami. MIRI detekuje svetlo v nižšom energetickom rozsahu ako ostatné tri prístroje. V dôsledku toho sú jeho detektory citlivejšie na tepelné vibrácie. Tieto nežiaduce signály astronómovia nazývajú „šum“ a môžu prehlušiť slabé signály, ktoré sa Webb snaží detekovať.
Po štarte Webb nasadí priezor veľkosti tenisového kurtu, ktorý bude chrániť MIRI a ďalšie prístroje pred slnečným teplom, čo im umožní pasívne chladenie. Približne 77 dní po štarte bude kryochladič MIRI 19 dní znižovať teplotu detektorov prístroja pod 7 Kelvinov.
„Na Zemi je relatívne jednoduché ochladiť veci na túto teplotu, často na vedecké alebo priemyselné účely,“ povedal Konstantin Penanen, expert na kryochladiče v Laboratóriu prúdového pohonu NASA v južnej Kalifornii, ktoré pre NASA spravuje prístroj MIRI. „Tieto pozemné systémy sú však veľmi objemné a energeticky neefektívne. Pre vesmírne observatórium potrebujeme chladič, ktorý je fyzicky kompaktný, energeticky úsporný a musí byť vysoko spoľahlivý, pretože ho nemôžeme opraviť sami. Takže toto sú výzvy, ktorým čelíme. V tomto ohľade by som povedal, že kryochladiče MIRI sú určite v popredí.“
Jedným z Webbových vedeckých cieľov je študovať vlastnosti prvých hviezd, ktoré vznikli vo vesmíre. Webbova kamera blízkej infračervenej oblasti alebo prístroj NIRCam bude schopný detekovať tieto extrémne vzdialené objekty a MIRI pomôže vedcom potvrdiť, že tieto slabé zdroje svetla sú zhluky hviezd prvej generácie, a nie hviezdy druhej generácie, ktoré vznikli neskôr v priebehu vývoja galaxie.
Pozorovaním oblakov prachu, ktoré sú hustejšie ako prístroje pracujúce v blízkej infračervenej oblasti, MIRI odhalí miesta vzniku hviezd. Taktiež detekuje molekuly bežne sa vyskytujúce na Zemi – ako je voda, oxid uhličitý a metán, ako aj molekuly skalných minerálov, ako sú kremičitany – v chladnom prostredí okolo blízkych hviezd, kde sa môžu tvoriť planéty. Prístroje pracujúce v blízkej infračervenej oblasti lepšie detekujú tieto molekuly ako pary v teplejších prostrediach, zatiaľ čo MIRI ich dokáže vidieť ako ľad.
„Spojením amerických a európskych odborných znalostí sme vyvinuli MIRI ako silu Webbu, ktorá umožní astronómom z celého sveta odpovedať na dôležité otázky o tom, ako sa hviezdy, planéty a galaxie formujú a vyvíjajú,“ povedala Gillian Wright, spoluvedúca vedeckého tímu MIRI a hlavná európska výskumníčka pre tento prístroj v Britskom centre astronomických technológií (UK ATC).
Kryochladič MIRI používa hélium – dostatok na naplnenie približne deviatich párty balónov – na odvádzanie tepla od detektorov prístroja. Dva elektrické kompresory pumpujú hélium cez trubicu, ktorá siaha až k miestu, kde sa nachádza detektor. Trubica prechádza cez kovový blok, ktorý je tiež pripevnený k detektoru; ochladené hélium absorbuje prebytočné teplo z bloku, čím udržiava prevádzkovú teplotu detektora pod 7 Kelvinov. Zahriaty (ale stále studený) plyn sa potom vracia do kompresora, kde odvádza prebytočné teplo a cyklus sa začína odznova. V podstate je systém podobný systému používanému v domácich chladničkách a klimatizáciách.
Rúry, ktoré prenášajú hélium, sú vyrobené z pozlátenej nehrdzavejúcej ocele a majú priemer menší ako jedna desatina palca (2,5 mm). Tiahnu sa približne 10 metrov od kompresora umiestneného v oblasti zbernice kozmickej lode k detektoru MIRI v optickom teleskopickom prvku umiestnenom za primárnym zrkadlom v tvare voštiny observatória. Tieto dve oblasti spája hardvér nazývaný rozkladacia vežová zostava alebo DTA. Po zabalení na štart sa DTA stlačí, trochu ako piest, aby sa pomohlo nainštalovať uskladnené observatórium do ochrany na vrchu rakety. Po vstupe do vesmíru sa veža roztiahne, aby oddelila zbernicu kozmickej lode s izbovou teplotou od chladnejších optických teleskopických prístrojov a umožnila úplné rozloženie slnečnej clony a teleskopu.
Táto animácia zobrazuje ideálne prevedenie rozmiestnenia vesmírneho teleskopu Jamesa Webba hodiny a dni po štarte. Rozšírenie centrálnej rozkladacej veže zväčší vzdialenosť medzi dvoma časťami MIRI. Sú spojené špirálovými trubicami s chladeným héliom.
Proces predlžovania však vyžaduje, aby sa héliová trubica predĺžila pomocou roztiahnuteľnej vežovej zostavy. Rúrka sa teda vinie ako pružina, a preto inžinieri z MIRI túto časť trubice prezývali „Slinky“ (plíživý).
„Práca na systéme, ktorý zahŕňa viacero oblastí observatória, prináša určité výzvy,“ povedala Analyn Schneiderová, programová manažérka JPL MIRI. „Tieto rôzne oblasti vedú rôzne organizácie alebo centrá vrátane Northrop Grumman a Goddard Space Flight Center americkej NASA, musíme sa s každým rozprávať. Na teleskope nie je žiadny iný hardvér, ktorý by to musel robiť, takže je to výzva jedinečná pre MIRI. Cesta ku kryochladičom MIRI bola určite dlhá a sme pripravení ich vidieť vo vesmíre.“
Vesmírny teleskop Jamesa Webba bude vypustený v roku 2021 ako popredné svetové observatórium pre vesmírne vedy. Webb bude odhaľovať záhady našej slnečnej sústavy, hľadať vzdialené svety okolo iných hviezd a skúmať tajomné štruktúry a pôvod nášho vesmíru a nášho miesta. Webb je medzinárodná iniciatíva vedená NASA a jej partnermi ESA (Európska vesmírna agentúra) a Kanadskou vesmírnou agentúrou.
MIRI bol vyvinutý v rámci partnerstva 50-50 medzi NASA a ESA (Európska vesmírna agentúra). JPL vedie americké úsilie o MIRI a do ESA prispieva nadnárodné konzorcium európskych astronomických inštitútov. George Rieke z University of Arizona je vedúcim amerického vedeckého tímu MIRI. Gillian Wright je vedúcou európskeho vedeckého tímu MIRI.
Alistair Glasse z ATC v Spojenom kráľovstve je vedecký pracovník pre prístroje MIRI a Michael Ressler je vedecký pracovník pre americké projekty v JPL. Laszlo Tamas z britského ATC riadi Európsku úniu. Vývoj kryochladiča MIRI viedla a riadila JPL v spolupráci s Goddard Space Flight Center NASA v Greenbelte v Marylande a Northrop Grumman v Redondo Beach v Kalifornii.