วิศวกรดำเนินการ "ยอมรับ" เครื่องมืออินฟราเรดกลางของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA หลังจากออกเดินทางจากสหราชอาณาจักร
ช่างเทคนิคการบินของบริษัท JPL จอห์นนี่ เมเลนเดซ (ขวา) และโจ โมรา กำลังตรวจสอบไครโอคูลเลอร์ของ MIRI ก่อนจะส่งไปที่บริษัท Northrop Grumman ในเมืองเรดอนโดบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย โดยที่นั่น ไครโอคูลเลอร์จะติดอยู่กับตัวกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์
ชิ้นส่วนนี้ของเครื่องมือ MIRI ซึ่งพบเห็นได้ที่ห้องปฏิบัติการ Appleton ในเมืองรัทเทอร์ฟอร์ด สหราชอาณาจักร ประกอบด้วยตัวตรวจจับอินฟราเรด ส่วนคริโอคูลเลอร์ตั้งอยู่ห่างจากตัวตรวจจับ เนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิที่สูงกว่า ท่อที่บรรจุฮีเลียมเย็นเชื่อมต่อทั้งสองส่วนเข้าด้วยกัน
MIRI (ซ้าย) นั่งอยู่บนคานทรงตัวที่บริษัท Northrop Grumman ในเมืองเรดอนโดบีช ในขณะที่วิศวกรเตรียมใช้เครนเหนือศีรษะเพื่อยึดเข้ากับโมดูลเครื่องมือวิทยาศาสตร์แบบบูรณาการ (ISIM) ISIM คือแกนหลักของบริษัท Webb ซึ่งเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ 4 ชิ้นที่ติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ไว้
ก่อนที่เครื่องมือ MIRI ซึ่งเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ 1 ใน 4 ชิ้นในหอสังเกตการณ์ จะสามารถทำงานได้ จะต้องทำการทำให้เย็นลงจนเกือบถึงอุณหภูมิที่เย็นที่สุดที่สสารจะไปถึงได้
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ของ NASA ซึ่งมีกำหนดปล่อยตัวในวันที่ 24 ธันวาคม ถือเป็นหอสังเกตการณ์ทางอวกาศที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ และมีภารกิจที่ท้าทายไม่แพ้กัน นั่นคือการรวบรวมแสงอินฟราเรดจากส่วนต่างๆ ของจักรวาลอันห่างไกล ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสำรวจโครงสร้างและต้นกำเนิดของจักรวาลได้ จักรวาลของเราและสถานที่ของเราในนั้น
วัตถุท้องฟ้าจำนวนมาก รวมถึงดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ ตลอดจนก๊าซและฝุ่นที่วัตถุเหล่านั้นก่อตัวขึ้น ต่างปล่อยแสงอินฟราเรดออกมา ซึ่งบางครั้งเรียกว่ารังสีความร้อน แต่เช่นเดียวกับวัตถุอื่นๆ ที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เครื่องปิ้งขนมปัง มนุษย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นั่นหมายความว่าเครื่องมืออินฟราเรดทั้งสี่ชิ้นของเว็บบ์สามารถตรวจจับแสงอินฟราเรดของตัวเองได้ เพื่อลดการแผ่รังสีเหล่านี้ เครื่องมือจะต้องมีอุณหภูมิเย็นมาก ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 40 เคลวิน หรือลบ 388 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 233 องศาเซลเซียส) แต่เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง เครื่องตรวจจับภายในเครื่องมืออินฟราเรดช่วงกลางหรือ MIRI จะต้องเย็นลง ซึ่งอยู่ที่ต่ำกว่า 7 เคลวิน (ลบ 448 องศาฟาเรนไฮต์ หรือลบ 266 องศาเซลเซียส)
นั่นอยู่สูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0 เคลวิน) เพียงไม่กี่องศา ซึ่งถือเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แม้ว่าในทางกายภาพจะไม่สามารถทำได้ก็ตาม เพราะไม่มีความร้อนเลยแม้แต่น้อย (อย่างไรก็ตาม MIRI ไม่ใช่เครื่องมือสร้างภาพที่เย็นที่สุดในอวกาศ)
อุณหภูมิเป็นการวัดความเร็วของการเคลื่อนที่ของอะตอม และนอกเหนือจากการตรวจจับแสงอินฟราเรดของตัวมันเองแล้ว เครื่องตรวจจับของเว็บบ์ยังสามารถถูกกระตุ้นได้จากการสั่นสะเทือนความร้อนของตัวมันเองอีกด้วย MIRI ตรวจจับแสงในช่วงพลังงานที่ต่ำกว่าเครื่องมืออีกสามตัว ดังนั้น เครื่องตรวจจับของ MIRI จึงมีความไวต่อการสั่นสะเทือนความร้อนมากกว่า สัญญาณที่ไม่ต้องการเหล่านี้เป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า "สัญญาณรบกวน" และสามารถกลบสัญญาณอ่อนๆ ที่เว็บบ์พยายามตรวจจับได้
หลังจากการเปิดตัว เวบบ์จะติดตั้งหน้ากากขนาดสนามเทนนิสที่ช่วยปกป้อง MIRI และอุปกรณ์อื่นๆ จากความร้อนของดวงอาทิตย์ ช่วยให้อุปกรณ์เย็นลงโดยไม่ได้ตั้งใจ โดยเริ่มประมาณ 77 วันหลังการเปิดตัว คริโอคูลเลอร์ของ MIRI จะใช้เวลา 19 วันในการลดอุณหภูมิของเครื่องตรวจจับของอุปกรณ์ให้ต่ำกว่า 7 เคลวิน
Konstantin Penanen ผู้เชี่ยวชาญด้าน cryocooler จาก Jet Propulsion Laboratory ของ NASA ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้ ซึ่งเป็นผู้จัดการเครื่องมือ MIRI ของ NASA กล่าวว่า "การทำให้สิ่งต่างๆ เย็นลงจนถึงอุณหภูมินั้นบนโลกนั้นค่อนข้างง่าย โดยมากแล้วจะใช้เพื่อวิทยาศาสตร์หรือในอุตสาหกรรม แต่ระบบเหล่านี้ที่ตั้งอยู่บนพื้นโลกนั้นมีขนาดใหญ่มากและใช้พลังงานอย่างไม่มีประสิทธิภาพ สำหรับหอสังเกตการณ์ทางอวกาศ เราต้องการเครื่องทำความเย็นที่มีขนาดกะทัดรัด ประหยัดพลังงาน และต้องมีความน่าเชื่อถือสูง เนื่องจากเราไม่สามารถออกไปซ่อมมันได้ ดังนั้น สิ่งเหล่านี้จึงเป็นความท้าทายที่เราต้องเผชิญ ในแง่นั้น ฉันคิดว่า cryocooler ของ MIRI อยู่แถวหน้าอย่างแน่นอน"
เป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ประการหนึ่งของเวบบ์คือการศึกษาคุณสมบัติของดวงดาวดวงแรกที่ก่อตัวในจักรวาล กล้องอินฟราเรดใกล้ของเวบบ์หรืออุปกรณ์ NIRCam จะสามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ห่างไกลมากเหล่านี้ได้ และ MIRI จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ยืนยันได้ว่าแหล่งกำเนิดแสงอันสลัวเหล่านี้คือกระจุกดาวรุ่นแรก ไม่ใช่ดาวรุ่นที่สองที่ก่อตัวขึ้นในภายหลังในวิวัฒนาการของกาแลคซี
จากการสังเกตกลุ่มฝุ่นที่มีความหนามากกว่าเครื่องมืออินฟราเรดใกล้ MIRI จะเปิดเผยแหล่งกำเนิดของดวงดาว นอกจากนี้ยังจะตรวจจับโมเลกุลที่พบได้ทั่วไปบนโลก เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน ตลอดจนโมเลกุลของแร่ธาตุหิน เช่น ซิลิเกต ในสภาพแวดล้อมที่เย็นรอบ ๆ ดวงดาวใกล้เคียง ซึ่งอาจก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ได้ เครื่องมืออินฟราเรดใกล้จะตรวจจับโมเลกุลเหล่านี้ได้ดีกว่าในรูปของไอในสภาพแวดล้อมที่ร้อนกว่า ขณะที่ MIRI สามารถมองเห็นโมเลกุลเหล่านี้เป็นน้ำแข็งได้
“การผสมผสานความเชี่ยวชาญของสหรัฐอเมริกาและยุโรป ทำให้เราพัฒนา MIRI ให้เป็นพลังของ Webb ซึ่งจะช่วยให้นักดาราศาสตร์จากทั่วโลกสามารถตอบคำถามใหญ่ๆ เกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของดวงดาว ดาวเคราะห์ และกาแล็กซีได้” Gillian Wright หัวหน้าร่วมของทีมวิทยาศาสตร์ MIRI และหัวหน้าผู้วิจัยยุโรปสำหรับเครื่องมือที่ UK Astronomical Technology Centre (UK ATC) กล่าว
เครื่องทำความเย็นแบบไครโอของ MIRI ใช้ก๊าซฮีเลียม ซึ่งมีปริมาณมากพอที่จะเติมลูกโป่งงานปาร์ตี้ได้ประมาณ 9 ลูก เพื่อนำความร้อนออกจากเครื่องตรวจจับของอุปกรณ์ คอมเพรสเซอร์ไฟฟ้า 2 ตัวจะปั๊มฮีเลียมผ่านท่อที่ยื่นไปยังตำแหน่งที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับ ท่อดังกล่าวจะวิ่งผ่านแท่งโลหะที่ติดอยู่กับเครื่องตรวจจับด้วย ฮีเลียมที่ถูกทำให้เย็นลงจะดูดซับความร้อนส่วนเกินจากแท่งโลหะ ทำให้อุณหภูมิในการทำงานของเครื่องตรวจจับอยู่ต่ำกว่า 7 เคลวิน ก๊าซที่ได้รับความร้อน (แต่ยังคงเย็นอยู่) จะถูกส่งกลับไปที่คอมเพรสเซอร์ เพื่อระบายความร้อนส่วนเกินออกไป และวงจรก็จะเริ่มต้นขึ้นอีกครั้ง โดยพื้นฐานแล้ว ระบบนี้จะคล้ายกับระบบที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศในครัวเรือน
ท่อที่ใช้บรรจุฮีเลียมทำจากสแตนเลสชุบทองและมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าหนึ่งในสิบของนิ้ว (2.5 มม.) ท่อจะยาวประมาณ 30 ฟุต (10 เมตร) จากคอมเพรสเซอร์ที่อยู่ในพื้นที่บัสของยานอวกาศไปยังเครื่องตรวจจับ MIRI ในองค์ประกอบของกล้องโทรทรรศน์ออปติกที่อยู่ด้านหลังกระจกหลักแบบรังผึ้งของหอสังเกตการณ์ ฮาร์ดแวร์ที่เรียกว่าชุดหอคอยที่ปรับใช้ได้หรือ DTA เชื่อมพื้นที่ทั้งสองเข้าด้วยกัน เมื่อบรรจุเพื่อปล่อย DTA จะถูกบีบอัดเล็กน้อยคล้ายลูกสูบ เพื่อช่วยติดตั้งหอสังเกตการณ์ที่เก็บไว้เข้ากับตัวป้องกันบนจรวด เมื่ออยู่ในอวกาศ หอคอยจะยื่นออกมาเพื่อแยกบัสของยานอวกาศที่อุณหภูมิห้องออกจากเครื่องมือกล้องโทรทรรศน์ออปติกที่เย็นกว่า และช่วยให้บังแดดและกล้องโทรทรรศน์ใช้งานได้เต็มที่
แอนิเมชั่นนี้แสดงให้เห็นการดำเนินการตามอุดมคติของการติดตั้งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์เป็นเวลาหลายชั่วโมงและวันหลังจากการปล่อยตัว การขยายชุดหอคอยกลางที่สามารถติดตั้งได้จะเพิ่มระยะห่างระหว่างสองส่วนของ MIRI ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยท่อเกลียวที่มีฮีเลียมที่เย็นตัว
แต่กระบวนการยืดออกนั้นต้องใช้การขยายท่อฮีเลียมด้วยชุดหอคอยที่ขยายได้ ดังนั้นท่อจึงขดเหมือนสปริง ซึ่งเป็นสาเหตุที่วิศวกรของ MIRI ขนานนามส่วนนี้ของท่อว่า “สลิงกี้”
“การทำงานกับระบบที่ครอบคลุมหลายภูมิภาคของหอสังเกตการณ์นั้นมีความท้าทายอยู่บ้าง” Analyn Schneider ผู้จัดการโครงการ JPL MIRI กล่าว “ภูมิภาคต่างๆ เหล่านี้อยู่ภายใต้การนำขององค์กรหรือศูนย์ต่างๆ รวมถึง Northrop Grumman และ Goddard Space Flight Center ของ NASA สหรัฐฯ เราต้องพูดคุยกับทุกคน ไม่มีฮาร์ดแวร์อื่นใดบนกล้องโทรทรรศน์ที่ต้องทำแบบนั้น ดังนั้นจึงเป็นความท้าทายเฉพาะของ MIRI เท่านั้น เส้นทางของ MIRI cryocoolers นั้นยาวมาก และเราพร้อมที่จะเห็นมันในอวกาศแล้ว”
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จะปล่อยตัวในปี 2021 โดยเป็นหอสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์อวกาศชั้นนำของโลก เวบบ์จะคลี่คลายความลึกลับของระบบสุริยะของเรา มองไปยังโลกที่อยู่ห่างไกลรอบๆ ดวงดาวดวงอื่น และสำรวจโครงสร้างอันลึกลับและต้นกำเนิดของจักรวาลและสถานที่ของเรา เวบบ์เป็นโครงการริเริ่มระดับนานาชาติที่นำโดย NASA และพันธมิตร ESA (สำนักงานอวกาศยุโรป) และสำนักงานอวกาศแคนาดา
MIRI ได้รับการพัฒนาผ่านความร่วมมือ 50-50 ระหว่าง NASA และ ESA (หน่วยงานอวกาศยุโรป) โดย JPL เป็นผู้นำความพยายามของสหรัฐอเมริกาในโครงการ MIRI และกลุ่มสถาบันดาราศาสตร์ยุโรปหลายชาติก็มีส่วนสนับสนุนโครงการ ESA จอร์จ รีเก้ จากมหาวิทยาลัยอริโซนาเป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ของ MIRI ในสหรัฐอเมริกา และจิลเลียน ไรท์เป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ยุโรปของ MIRI
Alistair Glasse จาก ATC ประเทศอังกฤษเป็นนักวิทยาศาสตร์เครื่องมือ MIRI และ Michael Ressler เป็นนักวิทยาศาสตร์โครงการสหรัฐฯ ที่ JPL Laszlo Tamas จาก ATC ของสหราชอาณาจักรบริหารสหภาพยุโรป การพัฒนาไครโอคูลเลอร์ MIRI นำโดยและบริหารจัดการโดย JPL ร่วมกับศูนย์การบินอวกาศ Goddard ของ NASA ในเมืองกรีนเบลท์ รัฐแมริแลนด์ และนอร์ทรอป กรัมแมน ในเมืองเรดอนโดบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย