Инжењери спроводе „прихватање“ инструмента средњег инфрацрвеног спектара свемирског телескопа Џејмс Веб у НАСА-ином Центру за свемирске летове Годард након полетања из Велике Британије.
Техничари лета JPL-а Џони Мелендез (десно) и Џо Мора прегледају крио-хладњак MIRI пре него што га пошаљу компанији Northrop Grumman у Редондо Бичу, Калифорнија. Тамо је хладњак причвршћен за тело Веб телескопа.
Овај део MIRI инструмента, виђен у лабораторији Appleton у Радерфорду, у Великој Британији, садржи инфрацрвене детекторе. Криогени хладњак се налази даље од детектора јер ради на вишој температури. Цев која носи хладни хелијум повезује два дела.
MIRI (лево) се налази на греди за равнотежу у Нортроп Груману у Редондо Бичу док се инжењери припремају да га помоћу надземне дизалице причврсте за Интегрисани научни инструментални модул (ISIM). ISIM је језгро Веба, четири научна инструмента која смештају телескоп.
Пре него што MIRI инструмент - један од четири научна инструмента на опсерваторији - може да ради, мора се охладити на скоро најнижу температуру коју материја може да достигне.
НАСА-ин свемирски телескоп Џејмс Веб, чије је лансирање заказано за 24. децембар, највећа је свемирска опсерваторија у историји и има подједнако тежак задатак: прикупљање инфрацрвене светлости из удаљених кутака универзума, омогућавајући научницима да истраже структуру и порекло универзума. Наш универзум и наше место у њему.
Многи космички објекти — укључујући звезде и планете, као и гас и прашину од којих се формирају — емитују инфрацрвену светлост, понекад названу топлотно зрачење. Али исто важи и за већину других топлих објеката, попут тостера, људи и електронике. То значи да Вебова четири инфрацрвена инструмента могу да детектују сопствену инфрацрвену светлост. Да би се смањиле ове емисије, инструмент мора бити веома хладан — око 40 Келвина, или минус 388 степени Фаренхајта (минус 233 степена Целзијуса). Али да би правилно функционисали, детектори унутар инструмента средњег инфрацрвеног зрачења, или MIRI, морају да се охладе: испод 7 Келвина (минус 448 степени Фаренхајта, или минус 266 степени Целзијуса).
То је само неколико степени изнад апсолутне нуле (0 Келвина) – најниже температуре која је теоретски могућа, иако никада није физички достижна јер представља потпуно одсуство било какве топлоте. (Међутим, MIRI није најхладнији инструмент за снимање који ради у свемиру.)
Температура је у суштини мера брзине кретања атома, и поред детекције сопствене инфрацрвене светлости, Веб детектори могу бити активирани сопственим термичким вибрацијама. MIRI детектује светлост у нижем енергетском опсегу од остала три инструмента. Као резултат тога, његови детектори су осетљивији на термалне вибрације. Ови нежељени сигнали су оно што астрономи називају „шумом“ и могу надјачати слабе сигнале које Веб покушава да детектује.
Након лансирања, Веб ће распоредити визир величине тениског терена који штити MIRI и друге инструменте од сунчеве топлоте, омогућавајући им пасивно хлађење. Почевши од око 77 дана након лансирања, MIRI-јевом крио-хладњаку ће бити потребно 19 дана да смањи температуру детектора инструмента испод 7 Келвина.
„Релативно је лако охладити ствари на ту температуру на Земљи, често за научне или индустријске примене“, рекао је Константин Пенанен, стручњак за криохладњаке у НАСА-иној Лабораторији за млазни погон у Јужној Калифорнији, која управља MIRI инструментом за НАСА-у. „Али ти системи на Земљи су веома гломазни и енергетски неефикасни. За свемирску опсерваторију, потребан нам је хладњак који је физички компактан, енергетски ефикасан и мора бити веома поуздан јер не можемо да изађемо и поправимо га. Дакле, то су изазови са којима се суочавамо, у том погледу, рекао бих да су MIRI криохладњаци дефинитивно у првом плану.“
Један од Вебових научних циљева је проучавање својстава првих звезда које су се формирале у универзуму. Вебова камера блиског инфрацрвеног зрачења или NIRCam инструмент моћи ће да детектује ове изузетно удаљене објекте, а MIRI ће помоћи научницима да потврде да су ови слаби извори светлости јата звезда прве генерације, а не звезде друге генерације које су се формирале касније у еволуцији галаксије.
Посматрајући облаке прашине који су дебљи од инструмената блиског инфрацрвеног спектара, MIRI ће открити места рођења звезда. Такође ће детектовати молекуле који се обично налазе на Земљи - попут воде, угљен-диоксида и метана, као и молекуле стеновитих минерала попут силиката - у хладним срединама око оближњих звезда, где се планете могу формирати. Инструменти блиског инфрацрвеног спектара су бољи у детекцији ових молекула као паре у топлијим срединама, док их MIRI може видети као лед.
„Комбинујући америчку и европску стручност, развили смо MIRI као снагу Веба, што ће омогућити астрономима из целог света да одговоре на велика питања о томе како се звезде, планете и галаксије формирају и развијају“, рекла је Џилијан Рајт, ко-руководилац научног тима MIRI и главни европски истраживач за инструмент у Центру за астрономску технологију Уједињеног Краљевства (UK ATC).
Крио-хладњак MIRI користи хелијумски гас - довољан да напуни око девет балона за забаве - да би одвео топлоту даље од детектора инструмента. Два електрична компресора пумпају хелијум кроз цев која се протеже до места где се налази детектор. Цев пролази кроз метални блок који је такође причвршћен за детектор; охлађени хелијум апсорбује вишак топлоте из блока, одржавајући радну температуру детектора испод 7 Келвина. Загрејани (али и даље хладан) гас се затим враћа у компресор, где избацује вишак топлоте, и циклус почиње поново. У основи, систем је сличан оном који се користи у кућним фрижидерима и клима уређајима.
Цеви које преносе хелијум направљене су од позлаћеног нерђајућег челика и пречника су мање од једне десетине инча (2,5 мм). Протежу се око 10 метара од компресора који се налази у делу сабирне летелице до MIRI детектора у елементу оптичког телескопа који се налази иза примарног огледала опсерваторије у облику саћа. Опрема која се назива склоп куле који се може расклопити, или DTA, повезује ова два дела. Када се спакује за лансирање, DTA се компримује, помало као клип, како би се помогло у инсталирању склопљене опсерваторије у заштиту на врху ракете. Једном у свемиру, кула ће се проширити како би одвојила сабирну летелицу собне температуре од хладнијих инструмената оптичког телескопа и омогућила да се сунцобран и телескоп потпуно расклопе.
Ова анимација приказује идеално извршење распоређивања свемирског телескопа Џејмс Веб сатима и данима након лансирања. Проширење централног склопа расклопиве куле повећаће растојање између два дела MIRI-ја. Повезани су спиралним цевима са хлађеним хелијумом.
Али процес издуживања захтева да се хелијумска цев продужи помоћу склопа куле који се може проширити. Дакле, цев се увија попут опруге, због чега су инжењери MIRI-ја овај део цеви назвали „Slinky“ (Витки).
„Постоје неки изазови у раду на систему који обухвата више региона опсерваторије“, рекла је Аналин Шнајдер, руководилац програма JPL MIRI. „Ове различите регионе воде различите организације или центри, укључујући Нортроп Груман и Амерички НАСА-ин Центар за свемирске летове Годард, морамо да разговарамо са свима. На телескопу нема другог хардвера који би то требало да ради, тако да је то изазов јединствен за MIRI. Дефинитивно је био дуг ред за MIRI криохладњаке, и спремни смо да га видимо у свемиру.“
Свемирски телескоп Џејмс Веб биће лансиран 2021. године као водећа светска опсерваторија за свемирске науке. Веб ће открити мистерије нашег Сунчевог система, погледати у удаљене светове око других звезда и истраживати мистериозне структуре и порекло нашег универзума и нашег места. Веб је међународна иницијатива коју предводе НАСА и њени партнери ЕСА (Европска свемирска агенција) и Канадска свемирска агенција.
MIRI је развијен кроз партнерство 50-50 између НАСА-е и ЕСА-е (Европске свемирске агенције). JPL предводи америчке напоре за MIRI, а мултинационални конзорцијум европских астрономских института доприноси ЕСА-и. Џорџ Рике са Универзитета у Аризони је вођа америчког научног тима MIRI-ја. Џилијан Рајт је шеф европског научног тима MIRI-ја.
Алистер Глас из ATC-а у Великој Британији је научник за инструменте MIRI, а Мајкл Реслер је научник за пројекте у САД у JPL-у. Ласло Тамас из ATC-а у Великој Британији води Европску унију. Развој криокулера MIRI водио је и управљао JPL у сарадњи са НАСА-иним Центром за свемирске летове Годард у Гринбелту, Мериленд, и Нортроп Груманом у Редондо Бичу, Калифорнија.