Ingenjörer genomför en "mottagning" av James Webb-rymdteleskopets mid-infraröda instrument vid NASA:s Goddard Space Flight Center efter avresa från Storbritannien.
JPL:s flygtekniker Johnny Melendez (höger) och Joe Mora inspekterar MIRI-kryokylaren innan de skickar den till Northrop Grumman i Redondo Beach, Kalifornien. Där är kylaren fäst vid Webb-teleskopets kropp.
Denna del av MIRI-instrumentet, som syns på Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannien, innehåller infraröda detektorer. Kryokylaren är placerad på avstånd från detektorn eftersom den arbetar vid en högre temperatur. Ett rör som transporterar kallt helium förbinder de två sektionerna.
MIRI (vänster) står på en balansbom vid Northrop Grumman i Redondo Beach medan ingenjörer förbereder sig för att använda en traverskran för att fästa den vid den integrerade vetenskapliga instrumentmodulen (ISIM). ISIM är Webbs kärna, de fyra vetenskapliga instrumenten som inrymmer teleskopet.
Innan MIRI-instrumentet – ett av de fyra vetenskapliga instrumenten på observatoriet – kan användas måste det kylas ner till nästan den lägsta temperatur som materia kan uppnå.
NASAs James Webb-rymdteleskop, som är planerat att skjutas upp den 24 december, är historiens största rymdobservatorium, och det har en lika svår uppgift: att samla in infrarött ljus från universums avlägsna hörn, vilket gör det möjligt för forskare att undersöka universums struktur och ursprung. Vårt universum och vår plats i det.
Många kosmiska objekt – inklusive stjärnor och planeter, och gasen och stoftet från vilka de bildas – avger infrarött ljus, ibland kallat termisk strålning. Men det gör även de flesta andra varma objekt, som brödrostar, människor och elektronik. Det betyder att Webbs fyra infraröda instrument kan detektera sitt eget infraröda ljus. För att minska dessa utsläpp måste instrumentet vara mycket kallt – cirka 40 Kelvin, eller minus 388 grader Fahrenheit (minus 233 grader Celsius). Men för att fungera korrekt måste detektorerna inuti det mid-infraröda instrumentet, eller MIRI, bli kallare: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit, eller minus 266 grader Celsius).
Det är bara några grader över absoluta nollpunkten (0 Kelvin) – den kallaste temperaturen teoretiskt möjlig, även om den aldrig är fysiskt uppnåelig eftersom den representerar en fullständig frånvaro av värme. (MIRI är dock inte det kallaste avbildningsinstrumentet som används i rymden.)
Temperatur är i huvudsak ett mått på hur snabbt atomer rör sig, och förutom att detektera sitt eget infraröda ljus kan Webb-detektorer utlösas av sina egna termiska vibrationer. MIRI detekterar ljus i ett lägre energiområde än de andra tre instrumenten. Som ett resultat är dess detektorer mer känsliga för termiska vibrationer. Dessa oönskade signaler är vad astronomer kallar "brus", och de kan överväldiga de svaga signaler som Webb försöker detektera.
Efter uppskjutningen kommer Webb att använda ett visir i tennisbanans storlek som skyddar MIRI och andra instrument från solens värme, vilket gör att de kan kylas passivt. Med början cirka 77 dagar efter uppskjutningen kommer MIRIs kryokylare att ta 19 dagar på sig att sänka temperaturen på instrumentets detektorer till under 7 Kelvin.
”Det är relativt enkelt att kyla ner saker till den temperaturen på jorden, ofta för vetenskapliga eller industriella tillämpningar”, säger Konstantin Penanen, expert på kryokylare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, som hanterar MIRI-instrumentet för NASA. ”Men dessa jordbaserade system är mycket skrymmande och energiineffektiva. För ett rymdobservatorium behöver vi en kylare som är fysiskt kompakt, energieffektiv och måste vara mycket tillförlitlig eftersom vi inte kan gå ut och reparera den. Så det här är de utmaningar vi står inför. I det avseendet skulle jag säga att MIRI-kryokylare definitivt ligger i framkant.”
Ett av Webbs vetenskapliga mål är att studera egenskaperna hos de första stjärnorna som bildades i universum. Webbs nära-infraröda kamera eller NIRCam-instrument kommer att kunna upptäcka dessa extremt avlägsna objekt, och MIRI kommer att hjälpa forskare att bekräfta att dessa svaga ljuskällor är kluster av första generationens stjärnor, snarare än andra generationens stjärnor som bildades senare i en galaxutveckling.
Genom att titta på stoftmoln som är tjockare än instrument för nära-infraröda satelliter kommer MIRI att avslöja stjärnors födelseplatser. Den kommer också att upptäcka molekyler som vanligtvis finns på jorden – såsom vatten, koldioxid och metan, såväl som molekyler av steniga mineraler som silikater – i de kalla miljöerna runt närliggande stjärnor, där planeter kan bildas. Instrument för nära-infraröda satelliter är bättre på att upptäcka dessa molekyler som ångor i varmare miljöer, medan MIRI kan se dem som is.
”Genom att kombinera amerikansk och europeisk expertis har vi utvecklat MIRI som Webbs kraft, vilket kommer att göra det möjligt för astronomer från hela världen att besvara stora frågor om hur stjärnor, planeter och galaxer bildas och utvecklas”, säger Gillian Wright, medledare för MIRI-forskarteamet och europeisk huvudutredare för instrumentet vid UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
MIRI-kryokylaren använder heliumgas – tillräckligt för att fylla ungefär nio partyballonger – för att transportera bort värme från instrumentets detektorer. Två elektriska kompressorer pumpar helium genom ett rör som sträcker sig till där detektorn är placerad. Röret går genom ett metallblock som också är fäst vid detektorn; det kylda heliumet absorberar överskottsvärme från blocket och håller detektorns driftstemperatur under 7 Kelvin. Den uppvärmda (men fortfarande kalla) gasen återgår sedan till kompressorn, där den avger överskottsvärmen, och cykeln börjar om igen. I grund och botten liknar systemet det som används i hushållskylskåp och luftkonditioneringsapparater.
Rören som transporterar helium är gjorda av förgyllt rostfritt stål och har en diameter på mindre än 2,5 mm. De sträcker sig cirka 10 meter från kompressorn i rymdfarkostens bussområde till MIRI-detektorn i det optiska teleskopelementet som sitter bakom observatoriets bikakeformade primärspegel. Hårdvara som kallas en utfällbar tornenhet, eller DTA, förbinder de två områdena. När DTA packas för uppskjutning komprimeras den, ungefär som en kolv, för att hjälpa till att installera det stuvade observatoriet i skyddet ovanpå raketen. Väl i rymden kommer tornet att förlängas för att separera den rumstempererade rymdfarkostens buss från de svalare optiska teleskopinstrumenten och låta solskyddet och teleskopet fällas ut helt.
Denna animation visar det ideala utförandet av James Webb-rymdteleskopets utplacering timmar och dagar efter uppskjutningen. Utbyggnaden av det centrala utplacerbara tornaggregatet kommer att öka avståndet mellan de två delarna av MIRI. De är sammankopplade med spiralformade rör med kylt helium.
Men förlängningsprocessen kräver att heliumröret förlängs med den expanderbara tornenheten. Så röret spiralformas som en fjäder, vilket är anledningen till att MIRI-ingenjörerna gav denna del av röret smeknamnet "Slinky".
”Det finns vissa utmaningar med att arbeta med ett system som sträcker sig över flera regioner i observatoriet”, säger Analyn Schneider, programchef för JPL MIRI. ”Dessa olika regioner leds av olika organisationer eller centra, inklusive Northrop Grumman och amerikanska NASA:s Goddard Space Flight Center, vi måste prata med alla. Det finns ingen annan hårdvara på teleskopet som behöver göra det, så det är en utmaning som är unik för MIRI. Det har definitivt varit en lång kö för MIRI:s kryokylare, och vi är redo att se det i rymden.”
James Webb-rymdteleskopet kommer att skjutas upp 2021 som världens främsta rymdvetenskapliga observatorium. Webb kommer att nysta upp mysterierna i vårt solsystem, titta på avlägsna världar runt andra stjärnor och utforska de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats. Webb är ett internationellt initiativ som leds av NASA och dess partners ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.
MIRI utvecklades genom ett 50-50-partnerskap mellan NASA och ESA (Europeiska rymdorganisationen). JPL leder den amerikanska insatsen för MIRI, och ett multinationellt konsortium av europeiska astronomiska institut bidrar till ESA. George Rieke vid University of Arizona är ledare för MIRIs amerikanska forskarteam. Gillian Wright är chef för MIRIs europeiska forskarteam.
Alistair Glasse från ATC, Storbritannien, är instrumentforskare vid MIRI och Michael Ressler är projektforskare vid JPL i USA. Laszlo Tamas från ATC, Storbritannien, leder Europeiska unionen. Utvecklingen av MIRI-kryokylaren leddes och hanterades av JPL i samarbete med NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och Northrop Grumman i Redondo Beach, Kalifornien.