Wahandisi wanafanya "kukubali" kifaa cha infrared cha Darubini ya Anga ya James Webb katika Kituo cha Ndege cha Anga cha Goddard cha NASA baada ya kuondoka Uingereza.
Mafundi wa ndege wa JPL Johnny Melendez (kulia) na Joe Mora wakiangalia kifaa cha kupoeza cha MIRI kabla ya kukisafirisha hadi Northrop Grumman huko Redondo Beach, California. Hapo, kifaa cha kupoeza kimeunganishwa na mwili wa darubini ya Webb.
Sehemu hii ya kifaa cha MIRI, kinachoonekana katika Maabara ya Appleton huko Rutherford, Uingereza, ina vigunduzi vya infrared. Kipozeo cha kupoza kiko mbali na kigunduzi kwa sababu hufanya kazi kwa halijoto ya juu zaidi. Mrija unaobeba heliamu baridi huunganisha sehemu hizo mbili.
MIRI (kushoto) ameketi kwenye boriti ya usawa huko Northrop Grumman huko Redondo Beach huku wahandisi wakijiandaa kutumia kreni ya juu kuiunganisha kwenye Moduli ya Vifaa vya Kisayansi Integrated Scientific Instrument (ISIM). ISIM ndiyo kiini cha Webb, vyombo vinne vya sayansi vinavyohifadhi darubini.
Kabla ya kifaa cha MIRI — kimojawapo cha vifaa vinne vya sayansi kwenye kituo cha uchunguzi — kufanya kazi, lazima kipozwe hadi karibu joto la baridi zaidi ambalo jambo kuu linaweza kufikia.
Darubini ya Anga ya James Webb ya NASA, iliyopangwa kuzinduliwa Desemba 24, ndiyo kituo kikubwa zaidi cha uchunguzi wa anga katika historia, na ina kazi ngumu vile vile: kukusanya mwanga wa infrared kutoka pembe za mbali za ulimwengu, na kuwaruhusu wanasayansi kuchunguza muundo na asili ya ulimwengu. Ulimwengu wetu na nafasi yetu ndani yake.
Vitu vingi vya ulimwengu — ikiwa ni pamoja na nyota na sayari, na gesi na vumbi vinavyotokana navyo — hutoa mwanga wa infrared, wakati mwingine huitwa mionzi ya joto. Lakini ndivyo vitu vingine vingi vya joto, kama vile toaster, wanadamu, na vifaa vya elektroniki. Hiyo ina maana kwamba vifaa vinne vya infrared vya Webb vinaweza kugundua mwanga wao wa infrared. Ili kupunguza uzalishaji huu, kifaa lazima kiwe baridi sana—karibu Kelvin 40, au nyuzi joto 388 Fahrenheit (nyuzi joto 233 Selsiasi). Lakini ili kufanya kazi vizuri, vigunduzi ndani ya kifaa cha infrared ya kati, au MIRI, lazima viwe baridi zaidi: chini ya Kelvin 7 (nyuzi joto 448 Fahrenheit, au nyuzi joto 266 Selsiasi).
Hiyo ni nyuzi joto chache tu juu ya sifuri kabisa (0 Kelvin) - halijoto ya baridi zaidi inayowezekana kinadharia, ingawa haipatikani kimwili kwa sababu inawakilisha kutokuwepo kabisa kwa joto lolote. (Hata hivyo, MIRI si kifaa cha upigaji picha cha baridi zaidi kinachofanya kazi angani.)
Halijoto kimsingi ni kipimo cha jinsi atomi zinavyosonga kwa kasi, na pamoja na kugundua mwanga wao wa infrared, vigunduzi vya Webb vinaweza kuchochewa na mitetemo yao ya joto. MIRI hugundua mwanga katika kiwango cha chini cha nishati kuliko vifaa vingine vitatu. Kwa hivyo, vigunduzi vyake ni nyeti zaidi kwa mitetemo ya joto. Ishara hizi zisizohitajika ndizo wanaastronomia huita "kelele," na zinaweza kuzishinda ishara hafifu ambazo Webb inajaribu kugundua.
Baada ya uzinduzi, Webb ataweka kitovu cha ukubwa wa uwanja wa tenisi kinacholinda MIRI na vyombo vingine kutokana na joto la jua, na kuviruhusu kupoa kimya kimya. Kuanzia takriban siku 77 baada ya uzinduzi, kifaa cha kupoeza sauti cha MIRI kitachukua siku 19 kupunguza halijoto ya vigunduzi vya kifaa hicho hadi chini ya 7 Kelvin.
"Ni rahisi kiasi kupoza vitu hadi kiwango hicho cha joto Duniani, mara nyingi kwa matumizi ya kisayansi au viwandani," alisema Konstantin Penanen, mtaalamu wa vifaa vya kupoza joto katika Maabara ya Jet Propulsion ya NASA Kusini mwa California. , ambayo husimamia kifaa cha MIRI kwa NASA." Lakini mifumo hiyo inayotegemea Dunia ni mikubwa sana na haina ufanisi wa nishati. Kwa uchunguzi wa anga za juu, tunahitaji kifaa cha kupoza joto ambacho ni kidogo kimwili, chenye ufanisi wa nishati, na lazima kiwe cha kuaminika sana kwa sababu hatuwezi kwenda nje na kukirekebisha. Kwa hivyo hizi ndizo changamoto tunazokabiliana nazo. , katika suala hilo, ningesema vifaa vya kupoza joto vya MIRI hakika viko mstari wa mbele."
Mojawapo ya malengo ya kisayansi ya Webb ni kusoma sifa za nyota za kwanza zilizoundwa katika ulimwengu. Kamera ya Webb yenye infrared karibu au kifaa cha NIRCam kitaweza kugundua vitu hivi vilivyo mbali sana, na MIRI itawasaidia wanasayansi kuthibitisha kwamba vyanzo hivi hafifu vya mwanga ni makundi ya nyota za kizazi cha kwanza, badala ya nyota za kizazi cha pili zilizoundwa baadaye katika mageuko ya galaksi.
Kwa kutazama mawingu ya vumbi ambayo ni mazito kuliko vifaa vya karibu na infrared, MIRI itaonyesha mahali pa kuzaliwa kwa nyota. Pia itagundua molekuli zinazopatikana kwa kawaida Duniani - kama vile maji, kaboni dioksidi na methane, pamoja na molekuli za madini ya miamba kama vile silikati - katika mazingira baridi karibu na nyota zilizo karibu, ambapo sayari zinaweza kuunda. Vifaa vya karibu na infrared ni bora katika kugundua molekuli hizi kama mvuke katika mazingira yenye joto zaidi, huku MIRI ikiziona kama barafu.
"Kwa kuchanganya utaalamu wa Marekani na Ulaya, tumeunda MIRI kama nguvu ya Webb, ambayo itawawezesha wanaastronomia kutoka kote ulimwenguni kujibu maswali makubwa kuhusu jinsi nyota, sayari na galaksi zinavyoundwa na kubadilika," alisema Gillian Wright, kiongozi mwenza wa timu ya sayansi ya MIRI na Mchunguzi Mkuu wa Ulaya kwa ajili ya chombo hicho katika Kituo cha Teknolojia ya Astronomia cha Uingereza (UK ATC).
Kipozeo cha MIRI hutumia gesi ya heliamu—inayotosha kujaza takriban puto tisa za chama—kubeba joto kutoka kwa vigunduzi vya kifaa. Vigandamizi viwili vya umeme husukuma heliamu kupitia bomba linaloenea hadi mahali kigunduzi kilipo. Mrija hupitia kizuizi cha chuma ambacho pia kimeunganishwa na kigunduzi; heliamu iliyopozwa hufyonza joto la ziada kutoka kwenye kizuizi, na kuweka halijoto ya uendeshaji ya kigunduzi chini ya 7 Kelvin. Gesi yenye joto (lakini bado ni baridi) kisha hurudi kwenye kigandamizi, ambapo hutoa joto la ziada, na mzunguko huanza tena. Kimsingi, mfumo huo ni sawa na ule unaotumika katika jokofu za nyumbani na viyoyozi.
Mabomba yanayobeba heliamu yametengenezwa kwa chuma cha pua kilichofunikwa kwa dhahabu na yana kipenyo cha chini ya theluthi moja ya inchi (2.5 mm). Inaenea kama futi 30 (mita 10) kutoka kwa kigandamiza kilichopo katika eneo la basi la chombo cha angani hadi kigunduzi cha MIRI katika kipengele cha darubini ya macho kilicho nyuma ya kioo kikuu cha asali cha uchunguzi wa anga. Vifaa vinavyoitwa mkusanyiko wa mnara unaoweza kutumika, au DTA, huunganisha maeneo hayo mawili. Inapopakiwa kwa ajili ya kurusha, DTA hubanwa, kama pistoni, ili kusaidia kusakinisha kituo cha uchunguzi kilichowekwa kwenye ulinzi juu ya roketi. Mara tu ikiwa angani, mnara utaenea ili kutenganisha basi la chombo cha angani cha halijoto ya chumba na vyombo vya darubini ya macho baridi na kuruhusu kivuli cha jua na darubini kusambaa kikamilifu.
Uhuishaji huu unaonyesha utekelezaji bora wa uwekaji wa Darubini ya Anga ya James Webb saa na siku baada ya uzinduzi. Upanuzi wa mkusanyiko wa mnara wa kati unaoweza kutumika utaongeza umbali kati ya sehemu mbili za MIRI. Zimeunganishwa na mirija ya helikopta yenye heliamu iliyopozwa.
Lakini mchakato wa kurefusha unahitaji mirija ya heliamu kupanuliwa kwa kutumia kusanyiko la mnara unaoweza kupanuliwa. Kwa hivyo mirija hujikunja kama chemchemi, ndiyo maana wahandisi wa MIRI waliipa jina la utani sehemu hii ya mirija "Slinky".
"Kuna changamoto kadhaa katika kufanya kazi kwenye mfumo unaozunguka maeneo mengi ya uchunguzi," alisema Analyn Schneider, meneja wa programu ya JPL MIRI. "Maeneo haya tofauti yanaongozwa na mashirika au vituo tofauti, ikiwa ni pamoja na Northrop Grumman na Kituo cha Ndege cha Nafasi cha Goddard cha NASA cha Marekani, tunapaswa kuzungumza na kila mtu. Hakuna vifaa vingine kwenye darubini vinavyohitaji kufanya hivyo, kwa hivyo ni changamoto ya kipekee kwa MIRI. Hakika imekuwa mstari mrefu kwa barabara ya MIRI cryocoolers, na tuko tayari kuiona angani."
Darubini ya Anga ya James Webb itazinduliwa mwaka wa 2021 kama kituo kikuu cha uchunguzi wa sayansi ya anga ya juu duniani. Webb itafunua siri za mfumo wetu wa jua, itaangalia walimwengu wa mbali wanaozunguka nyota zingine, na kuchunguza miundo na asili ya ajabu ya ulimwengu wetu na mahali petu. Webb ni mpango wa kimataifa unaoongozwa na NASA na washirika wake ESA (Shirika la Anga la Ulaya) na Shirika la Anga la Kanada.
MIRI ilitengenezwa kupitia ushirikiano wa 50-50 kati ya NASA na ESA (Shirika la Anga za Juu la Ulaya). JPL inaongoza juhudi za Marekani kwa ajili ya MIRI, na muungano wa kimataifa wa taasisi za anga za Ulaya unachangia ESA. George Rieke wa Chuo Kikuu cha Arizona ndiye kiongozi wa timu ya sayansi ya MIRI ya Marekani. Gillian Wright ndiye mkuu wa timu ya kisayansi ya Ulaya ya MIRI.
Alistair Glasse wa ATC, Uingereza ni Mwanasayansi wa Vifaa vya MIRI na Michael Ressler ni Mwanasayansi wa Miradi wa Marekani katika JPL. Laszlo Tamas wa Uingereza ATC anaendesha Umoja wa Ulaya. Maendeleo ya kifaa cha kupoeza cha MIRI yaliongozwa na kusimamiwa na JPL kwa ushirikiano na Kituo cha Ndege cha Anga cha Goddard cha NASA huko Greenbelt, Maryland, na Northrop Grumman huko Redondo Beach, California.