Inženirji po odhodu iz Združenega kraljestva izvajajo "prevzem" instrumenta vesoljskega teleskopa James Webb v srednjem infrardečem območju v Nasinem centru za vesoljske polete Goddard.
Letalska tehnika JPL Johnny Melendez (desno) in Joe Mora pregledata kriogeni hladilnik MIRI, preden ga pošljeta podjetju Northrop Grumman v Redondo Beachu v Kaliforniji. Tam je hladilnik pritrjen na telo teleskopa Webb.
Ta del instrumenta MIRI, ki ga vidimo v laboratoriju Appleton v Rutherfordu v Združenem kraljestvu, vsebuje infrardeče detektorje. Kriogeni hladilnik je nameščen stran od detektorja, ker deluje pri višji temperaturi. Cev, ki prenaša hladen helij, povezuje oba dela.
MIRI (levo) stoji na ravnotežnem drogu v Northrop Grummanu v Redondo Beachu, medtem ko se inženirji pripravljajo na uporabo mostnega žerjava za pritrditev na Integrirani znanstveni instrumentni modul (ISIM). ISIM je Webbovo jedro, štiri znanstvene instrumente, v katerih je nameščen teleskop.
Preden lahko instrument MIRI – eden od štirih znanstvenih instrumentov v observatoriju – deluje, ga je treba ohladiti na skoraj najnižjo temperaturo, ki jo lahko doseže snov.
Nasin vesoljski teleskop James Webb, ki bo izstreljen 24. decembra, je največji vesoljski observatorij v zgodovini in ima prav tako zahtevno nalogo: zbiranje infrardeče svetlobe iz oddaljenih kotičkov vesolja, kar znanstvenikom omogoča raziskovanje strukture in izvora vesolja. Našega vesolja in našega mesta v njem.
Mnogi kozmični objekti – vključno z zvezdami in planeti ter plinom in prahom, iz katerih nastanejo – oddajajo infrardečo svetlobo, včasih imenovano toplotno sevanje. Toda enako velja za večino drugih toplih objektov, kot so opekači kruha, ljudje in elektronika. To pomeni, da lahko Webbovi štirje infrardeči instrumenti zaznajo lastno infrardečo svetlobo. Za zmanjšanje teh emisij mora biti instrument zelo hladen – približno 40 Kelvinov ali minus 388 stopinj Fahrenheita (minus 233 stopinj Celzija). Da pa bi detektorji v instrumentu za srednje infrardeče sevanje ali MIRI pravilno delovali, se morajo ohladiti: pod 7 Kelvinov (minus 448 stopinj Fahrenheita ali minus 266 stopinj Celzija).
To je le nekaj stopinj nad absolutno ničlo (0 Kelvinov) – najnižjo teoretično možno temperaturo, čeprav je fizično nikoli ni mogoče doseči, ker predstavlja popolno odsotnost kakršne koli toplote. (Vendar MIRI ni najhladnejši slikovni instrument, ki deluje v vesolju.)
Temperatura je v bistvu merilo hitrosti gibanja atomov, in poleg zaznavanja lastne infrardeče svetlobe lahko Webb detektorje sprožijo tudi njihove lastne toplotne vibracije. MIRI zaznava svetlobo v nižjem energijskem območju kot ostali trije instrumenti. Posledično so njegovi detektorji bolj občutljivi na toplotne vibracije. Te neželene signale astronomi imenujejo »šum« in lahko preglasijo šibke signale, ki jih Webb poskuša zaznati.
Po izstrelitvi bo Webb namestil vizir velikosti teniškega igrišča, ki bo ščitil MIRI in druge instrumente pred sončno toploto in jim omogočil pasivno hlajenje. Približno 77 dni po izstrelitvi bo kriogeni hladilnik MIRI potreboval 19 dni, da bo temperaturo detektorjev instrumenta znižal pod 7 Kelvinov.
»Na Zemlji je stvari relativno enostavno ohladiti na to temperaturo, pogosto za znanstvene ali industrijske namene,« je dejal Konstantin Penanen, strokovnjak za kriogene hladilnike v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon v Južni Kaliforniji, ki upravlja instrument MIRI za NASO. »Vendar so ti zemeljski sistemi zelo zajetni in energetsko neučinkoviti. Za vesoljski observatorij potrebujemo hladilnik, ki je fizično kompakten, energetsko učinkovit in mora biti zelo zanesljiv, ker ga ne moremo sami popraviti. To so torej izzivi, s katerimi se soočamo. V zvezi s tem bi rekel, da so kriogeni hladilniki MIRI vsekakor v ospredju.«
Eden od Webbovih znanstvenih ciljev je preučevanje lastnosti prvih zvezd, ki so nastale v vesolju. Webbova kamera za bližnje infrardeče območje oziroma instrument NIRCam bo lahko zaznala te izjemno oddaljene objekte, MIRI pa bo znanstvenikom pomagal potrditi, da so ti šibki viri svetlobe kopice zvezd prve generacije in ne zvezd druge generacije, ki so nastale pozneje v evoluciji galaksije.
Z opazovanjem oblakov prahu, ki so debelejši od tistih, ki jih zaznavajo instrumenti bližnjega infrardečega spektra, bo MIRI razkril rojstna mesta zvezd. Zaznal bo tudi molekule, ki jih pogosto najdemo na Zemlji – kot so voda, ogljikov dioksid in metan –, pa tudi molekule kamnitih mineralov, kot so silikati – v hladnih okoljih okoli bližnjih zvezd, kjer se lahko oblikujejo planeti. Instrumenti bližnjega infrardečega spektra so boljši pri zaznavanju teh molekul kot hlapov v bolj vročih okoljih, medtem ko jih MIRI lahko vidi kot led.
»Z združitvijo ameriškega in evropskega strokovnega znanja smo razvili MIRI kot moč Webba, ki bo astronomom z vsega sveta omogočila, da odgovorijo na pomembna vprašanja o tem, kako se zvezde, planeti in galaksije oblikujejo in razvijajo,« je dejala Gillian Wright, sovodja znanstvene ekipe MIRI in glavna evropska raziskovalka instrumenta v britanskem centru za astronomsko tehnologijo (UK ATC).
Kriohladilnik MIRI uporablja helij – dovolj za polnjenje približno devetih balonov za zabave – za odvajanje toplote stran od detektorjev instrumenta. Dva električna kompresorja črpata helij skozi cev, ki se razteza do mesta, kjer se nahaja detektor. Cev poteka skozi kovinski blok, ki je prav tako pritrjen na detektor; ohlajeni helij absorbira odvečno toploto iz bloka in tako ohranja delovno temperaturo detektorja pod 7 Kelvinov. Ogrevan (vendar še vedno hladen) plin se nato vrne v kompresor, kjer odda odvečno toploto in cikel se začne znova. V osnovi je sistem podoben tistemu, ki se uporablja v gospodinjskih hladilnikih in klimatskih napravah.
Cevi, ki prenašajo helij, so izdelane iz pozlačenega nerjavečega jekla in imajo premer manj kot 2,5 mm (1/2 desetinke palca). Raztezajo se približno 10 metrov (30 čevljev) od kompresorja, ki se nahaja v območju vodila vesoljskega plovila, do detektorja MIRI v elementu optičnega teleskopa, ki se nahaja za primarnim zrcalom v obliki satovja observatorija. Strojna oprema, imenovana razstavljivi stolpni sklop ali DTA, povezuje obe območji. Ko je DTA spakiran za izstrelitev, se stisne, podobno kot bat, da se pospravljeno observatorij namesti v zaščito na vrhu rakete. Ko je v vesolju, se stolp raztegne, da loči vodilo vesoljskega plovila s sobno temperaturo od hladnejših optičnih teleskopskih instrumentov in omogoči, da se senčnik in teleskop popolnoma razprostrata.
Ta animacija prikazuje idealno izvedbo namestitve vesoljskega teleskopa James Webb nekaj ur in dni po izstrelitvi. Razširitev osrednjega razstavnega stolpa bo povečala razdaljo med obema deloma MIRI. Povezana sta s spiralnimi cevmi s ohlajenim helijem.
Toda postopek raztezanja zahteva, da se helijeva cev podaljša z razširljivim sklopom stolpa. Cev se torej zvije kot vzmet, zato so inženirji MIRI ta del cevi poimenovali »Slinky«.
»Pri delu na sistemu, ki zajema več območij observatorija, obstaja nekaj izzivov,« je dejala Analyn Schneider, vodja programa JPL MIRI. »Te različne regije vodijo različne organizacije ali centri, vključno z Northrop Grummanom in ameriškim centrom za vesoljske polete Goddard pri Nasi, zato se moramo pogovoriti z vsemi. Na teleskopu ni druge strojne opreme, ki bi to morala storiti, zato je to izziv, edinstven za MIRI. Za kriogene hladilnike MIRI je bila vsekakor dolga vrsta in pripravljeni smo, da ga vidimo v vesolju.«
Vesoljski teleskop James Webb bo izstreljen leta 2021 kot vodilni svetovni observatorij za vesoljsko znanost. Webb bo razkril skrivnosti našega osončja, pogledal v oddaljene svetove okoli drugih zvezd ter raziskoval skrivnostne strukture in izvor našega vesolja in našega kraja. Webb je mednarodna pobuda, ki jo vodijo NASA in njeni partnerji ESA (Evropska vesoljska agencija) in Kanadska vesoljska agencija.
MIRI je bil razvit v partnerstvu 50-50 med NASO in ESA (Evropsko vesoljsko agencijo). JPL vodi ameriška prizadevanja za MIRI, k ESA pa prispeva tudi večnacionalni konzorcij evropskih astronomskih inštitutov. George Rieke z Univerze v Arizoni je vodja ameriške znanstvene ekipe MIRI. Gillian Wright je vodja evropske znanstvene ekipe MIRI.
Alistair Glasse iz ATC v Združenem kraljestvu je znanstvenik za instrumente MIRI, Michael Ressler pa je ameriški projektni znanstvenik pri JPL. Laszlo Tamas iz britanskega ATC je odgovoren za Evropsko unijo. Razvoj kriogenega hladilnika MIRI je vodil in upravljal JPL v sodelovanju z Nasinim centrom za vesoljske polete Goddard v Greenbeltu v Marylandu in Northrop Grummanom v Redondo Beachu v Kaliforniji.