วิศวกรดำเนินการ "ตรวจสอบและรับมอบ" อุปกรณ์วัดรังสีอินฟราเรดช่วงกลางของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซา หลังจากออกเดินทางจากสหราชอาณาจักร
จอห์นนี่ เมเลนเดซ (ขวา) และโจ โมรา ช่างเทคนิคประจำห้องปฏิบัติการสำรวจอวกาศเจแปนนิสเพลน (JPL) ตรวจสอบเครื่องทำความเย็น MIRI ก่อนจัดส่งไปยังบริษัทนอร์ธรอป กรัมแมน ในเมืองเรดอนโดบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งที่นั่น เครื่องทำความเย็นจะถูกติดตั้งเข้ากับตัวกล้องโทรทรรศน์เวบบ์
ส่วนนี้ของอุปกรณ์ MIRI ที่เห็นในห้องปฏิบัติการแอปเปิลตัน เมืองรัทเทอร์ฟอร์ด สหราชอาณาจักร ประกอบด้วยตัวตรวจจับอินฟราเรด เครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์ตั้งอยู่ห่างจากตัวตรวจจับเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า ท่อที่บรรจุฮีเลียมเย็นเชื่อมต่อทั้งสองส่วนเข้าด้วยกัน
MIRI (ซ้าย) วางอยู่บนคานสมดุลที่บริษัทนอร์ธรอป กรัมแมน ในเมืองเรดอนโดบีช ขณะที่วิศวกรเตรียมใช้เครนเหนือศีรษะเพื่อยึดเข้ากับโมดูลเครื่องมือวิทยาศาสตร์แบบบูรณาการ (ISIM) ISIM คือหัวใจหลักของกล้องโทรทรรศน์เวบบ์ ซึ่งประกอบด้วยเครื่องมือวิทยาศาสตร์สี่ชิ้นที่ติดตั้งอยู่ภายในกล้องโทรทรรศน์
ก่อนที่เครื่องมือ MIRI ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ของหอดูดาว จะสามารถทำงานได้ จะต้องทำให้เครื่องมือเย็นลงจนเกือบถึงอุณหภูมิที่เย็นที่สุดเท่าที่สสารจะเข้าถึงได้
กล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ของนาซา ซึ่งมีกำหนดปล่อยขึ้นสู่อวกาศในวันที่ 24 ธันวาคม เป็นหอดูดาวอวกาศที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ และมีภารกิจที่ท้าทายอย่างยิ่ง นั่นคือการรวบรวมแสงอินฟราเรดจากมุมไกลโพ้นของจักรวาล เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสำรวจโครงสร้างและต้นกำเนิดของจักรวาล รวมถึงจักรวาลของเราและตำแหน่งของเราในนั้น
วัตถุในอวกาศจำนวนมาก รวมถึงดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ ตลอดจนก๊าซและฝุ่นที่ประกอบกันเป็นพวกมัน ปล่อยแสงอินฟราเรด ซึ่งบางครั้งเรียกว่ารังสีความร้อน แต่ก็มีวัตถุอุ่นอื่นๆ อีกหลายอย่าง เช่น เครื่องปิ้งขนมปัง มนุษย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ปล่อยแสงอินฟราเรดเช่นกัน นั่นหมายความว่าเครื่องมือวัดอินฟราเรดทั้งสี่ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์สามารถตรวจจับแสงอินฟราเรดของวัตถุเหล่านั้นได้ เพื่อลดการปล่อยแสงเหล่านี้ เครื่องมือจะต้องมีอุณหภูมิต่ำมาก ประมาณ 40 เคลวิน หรือลบ 388 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 233 องศาเซลเซียส) แต่เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง ตัวตรวจจับภายในเครื่องมือวัดอินฟราเรดช่วงกลาง หรือ MIRI จะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่านั้น คือต่ำกว่า 7 เคลวิน (ลบ 448 องศาฟาเรนไฮต์ หรือลบ 266 องศาเซลเซียส)
นั่นเป็นเพียงไม่กี่องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ (0 เคลวิน) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี แม้ว่าจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้จริงในทางกายภาพ เพราะมันหมายถึงการไม่มีความร้อนโดยสิ้นเชิง (อย่างไรก็ตาม MIRI ไม่ใช่เครื่องมือถ่ายภาพที่เย็นที่สุดที่ใช้งานอยู่ในอวกาศ)
อุณหภูมิโดยพื้นฐานแล้วเป็นการวัดความเร็วในการเคลื่อนที่ของอะตอม และนอกเหนือจากการตรวจจับแสงอินฟราเรดของตัวเองแล้ว ตัวตรวจจับของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์ยังสามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยการสั่นสะเทือนทางความร้อนของตัวเอง MIRI ตรวจจับแสงในช่วงพลังงานที่ต่ำกว่าเครื่องมืออีกสามชนิด ส่งผลให้ตัวตรวจจับของ MIRI มีความไวต่อการสั่นสะเทือนทางความร้อนมากกว่า สัญญาณที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้คือสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า "สัญญาณรบกวน" และมันสามารถบดบังสัญญาณที่อ่อนมากที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์พยายามตรวจจับได้
หลังจากปล่อยขึ้นสู่อวกาศ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์จะกางแผ่นบังแดดขนาดเท่าสนามเทนนิสเพื่อป้องกัน MIRI และอุปกรณ์อื่นๆ จากความร้อนของดวงอาทิตย์ ทำให้พวกมันสามารถเย็นตัวลงได้เองโดยอัตโนมัติ ประมาณ 77 วันหลังจากการปล่อยขึ้นสู่อวกาศ เครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์ของ MIRI จะใช้เวลา 19 วันในการลดอุณหภูมิของตัวตรวจจับในอุปกรณ์ให้ต่ำกว่า 7 เคลวิน
“การลดอุณหภูมิลงให้ถึงระดับนั้นบนโลกนั้นค่อนข้างง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานวิทยาศาสตร์หรืออุตสาหกรรม” คอนสแตนติน เพนาเนน ผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์จากห้องปฏิบัติการเจ็ทโพรพัลชันของนาซาในแคลิฟอร์เนียตอนใต้ ซึ่งดูแลเครื่องมือ MIRI ให้กับนาซา กล่าว “แต่ระบบบนโลกเหล่านั้นมีขนาดใหญ่และสิ้นเปลืองพลังงานมาก สำหรับหอดูดาวอวกาศ เราต้องการเครื่องทำความเย็นที่มีขนาดกะทัดรัด ประหยัดพลังงาน และต้องมีความน่าเชื่อถือสูง เพราะเราไม่สามารถออกไปซ่อมแซมได้ ดังนั้นนี่คือความท้าทายที่เราเผชิญ ในแง่นั้น ผมคิดว่าเครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์ของ MIRI อยู่ในระดับแนวหน้าอย่างแน่นอน”
หนึ่งในเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์คือการศึกษาคุณสมบัติของดาวฤกษ์ดวงแรกที่ก่อตัวขึ้นในจักรวาล กล้องอินฟราเรดใกล้หรือ NIRCam ของเวบบ์จะสามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ไกลมากเหล่านี้ได้ และ MIRI จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ยืนยันได้ว่าแหล่งกำเนิดแสงที่ริบหรี่เหล่านี้เป็นกลุ่มดาวฤกษ์รุ่นแรก ไม่ใช่ดาวฤกษ์รุ่นที่สองที่ก่อตัวขึ้นในภายหลังในวิวัฒนาการของกาแล็กซี
ด้วยการสำรวจกลุ่มฝุ่นที่มีความหนาแน่นมากกว่าเครื่องมืออินฟราเรดใกล้ MIRI จะเปิดเผยแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ นอกจากนี้ยังสามารถตรวจจับโมเลกุลที่พบได้ทั่วไปบนโลก เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน รวมถึงโมเลกุลของแร่ธาตุหิน เช่น ซิลิเกต ในสภาพแวดล้อมที่เย็นรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียง ซึ่งเป็นบริเวณที่ดาวเคราะห์อาจก่อตัวขึ้น เครื่องมืออินฟราเรดใกล้จะตรวจจับโมเลกุลเหล่านี้ได้ดีกว่าในรูปของไอในสภาพแวดล้อมที่ร้อนกว่า ในขณะที่ MIRI สามารถมองเห็นพวกมันในรูปของน้ำแข็งได้
“ด้วยการผสานความเชี่ยวชาญจากสหรัฐอเมริกาและยุโรป เราได้พัฒนา MIRI ให้เป็นพลังสำคัญของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์ ซึ่งจะช่วยให้นักดาราศาสตร์จากทั่วโลกสามารถตอบคำถามสำคัญเกี่ยวกับวิธีการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และกาแล็กซีได้” กิลเลียน ไรท์ หัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ร่วมของ MIRI และหัวหน้าผู้ตรวจสอบหลักของยุโรปสำหรับเครื่องมือนี้ที่ศูนย์เทคโนโลยีทางดาราศาสตร์แห่งสหราชอาณาจักร (UK ATC) กล่าว
เครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์ของ MIRI ใช้ก๊าซฮีเลียม—ปริมาณที่เพียงพอสำหรับเติมลูกโป่งงานปาร์ตี้ประมาณเก้าลูก—เพื่อระบายความร้อนออกจากตัวตรวจจับของเครื่องมือ คอมเพรสเซอร์ไฟฟ้าสองตัวจะปั๊มฮีเลียมผ่านท่อที่ทอดยาวไปยังตำแหน่งที่ติดตั้งตัวตรวจจับ ท่อจะวิ่งผ่านบล็อกโลหะที่ติดอยู่กับตัวตรวจจับเช่นกัน ฮีเลียมที่เย็นลงจะดูดซับความร้อนส่วนเกินจากบล็อก ทำให้รักษาอุณหภูมิการทำงานของตัวตรวจจับให้ต่ำกว่า 7 เคลวิน ก๊าซที่ร้อนขึ้น (แต่ยังคงเย็นอยู่) จะกลับไปยังคอมเพรสเซอร์เพื่อระบายความร้อนส่วนเกินออก และวงจรก็จะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง โดยพื้นฐานแล้ว ระบบนี้คล้ายกับที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศในครัวเรือน
ท่อที่ลำเลียงฮีเลียมทำจากสแตนเลสชุบทองและมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าหนึ่งในสิบของนิ้ว (2.5 มม.) ท่อนี้ทอดยาวประมาณ 30 ฟุต (10 เมตร) จากคอมเพรสเซอร์ที่อยู่ในบริเวณตัวยานอวกาศไปยังตัวตรวจจับ MIRI ในส่วนประกอบกล้องโทรทรรศน์แบบออปติคอลที่อยู่ด้านหลังกระจกหลักแบบรังผึ้งของหอดูดาว อุปกรณ์ที่เรียกว่าชุดหอคอยแบบพับได้ หรือ DTA เชื่อมต่อทั้งสองส่วนเข้าด้วยกัน เมื่อบรรจุเพื่อการปล่อยจรวด DTA จะถูกบีบอัดคล้ายกับลูกสูบ เพื่อช่วยในการติดตั้งหอดูดาวที่เก็บไว้ลงในส่วนป้องกันด้านบนของจรวด เมื่ออยู่ในอวกาศ หอคอยจะกางออกเพื่อแยกตัวยานอวกาศที่อุณหภูมิห้องออกจากอุปกรณ์กล้องโทรทรรศน์แบบออปติคอลที่เย็นกว่า และช่วยให้บังแดดและกล้องโทรทรรศน์กางออกได้อย่างเต็มที่
ภาพเคลื่อนไหวนี้แสดงให้เห็นถึงการทำงานที่สมบูรณ์แบบของการกางกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ หลายชั่วโมงและหลายวันหลังการปล่อย การขยายตัวของชุดหอคอยส่วนกลางที่สามารถกางออกได้จะเพิ่มระยะห่างระหว่างสองส่วนของ MIRI ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยท่อเกลียวที่บรรจุฮีเลียมระบายความร้อน
แต่กระบวนการยืดออกนั้นจำเป็นต้องยืดท่อฮีเลียมออกโดยใช้ชุดหอคอยที่ขยายได้ ดังนั้นท่อจึงขดตัวเหมือนสปริง ซึ่งเป็นเหตุผลที่วิศวกรของ MIRI ตั้งชื่อเล่นส่วนนี้ของท่อว่า "สลิงกี้"
“การทำงานกับระบบที่ครอบคลุมหลายส่วนของหอดูดาวนั้นมีความท้าทายอยู่บ้าง” อนาลีน ชไนเดอร์ ผู้จัดการโครงการ MIRI ของ JPL กล่าว “แต่ละส่วนงานนั้นอยู่ภายใต้การดูแลขององค์กรหรือศูนย์ต่างๆ รวมถึงนอร์ธรอป กรัมแมน และศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซา เราต้องติดต่อประสานงานกับทุกฝ่าย ไม่มีฮาร์ดแวร์อื่นๆ บนกล้องโทรทรรศน์ที่ต้องทำแบบนั้น ดังนั้นนี่จึงเป็นความท้าทายเฉพาะของ MIRI อย่างแท้จริง การพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์สำหรับ MIRI นั้นใช้เวลานานมาก และตอนนี้เราพร้อมที่จะเห็นมันใช้งานในอวกาศแล้ว”
กล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จะถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศในปี 2021 ในฐานะหอดูดาววิทยาศาสตร์อวกาศชั้นนำของโลก เวบบ์จะไขปริศนาของระบบสุริยะของเรา สำรวจโลกที่อยู่ห่างไกลรอบดาวฤกษ์ดวงอื่น และสำรวจโครงสร้างและต้นกำเนิดอันลึกลับของจักรวาลและตำแหน่งของเรา เวบบ์เป็นโครงการริเริ่มระดับนานาชาติที่นำโดย NASA และพันธมิตร ได้แก่ ESA (องค์การอวกาศยุโรป) และองค์การอวกาศแคนาดา
MIRI ได้รับการพัฒนาขึ้นจากความร่วมมือ 50-50 ระหว่าง NASA และ ESA (องค์การอวกาศยุโรป) โดย JPL เป็นผู้นำความพยายามของสหรัฐฯ ในโครงการ MIRI และกลุ่มสถาบันดาราศาสตร์นานาชาติของยุโรปให้การสนับสนุน ESA จอร์จ รีเค จากมหาวิทยาลัยแอริโซนา เป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ของสหรัฐฯ ในโครงการ MIRI และกิลเลียน ไรท์ เป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ของยุโรปในโครงการ MIRI
Alistair Glasse จาก ATC สหราชอาณาจักร เป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านเครื่องมือ MIRI และ Michael Ressler เป็นนักวิทยาศาสตร์โครงการของสหรัฐฯ ที่ JPL ส่วน Laszlo Tamas จาก ATC สหราชอาณาจักร ดูแลส่วนของสหภาพยุโรป การพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์ MIRI นำและบริหารจัดการโดย JPL ร่วมกับศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA ในเมืองกรีนเบลต์ รัฐแมริแลนด์ และบริษัทนอร์ธรอป กรัมแมน ในเมืองเรดอนโดบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย