Інженери проводять «приймання» інструменту середнього інфрачервоного діапазону космічного телескопа імені Джеймса Вебба в Центрі космічних польотів імені Годдарда NASA після вильоту з Великої Британії.
Борттехніки JPL Джонні Мелендес (праворуч) та Джо Мора оглядають кріохолодильник MIRI перед тим, як відправити його до Northrop Grumman у Редондо-Біч, Каліфорнія. Там охолоджувач кріпиться до корпусу телескопа Webb.
Ця частина приладу MIRI, яку можна побачити в лабораторії Appleton у Резерфорді, Велика Британія, містить інфрачервоні детектори. Кріохолодильник розташований окремо від детектора, оскільки він працює за вищої температури. Трубка, що переносить холодний гелій, з'єднує дві секції.
MIRI (ліворуч) стоїть на балансирі в Northrop Grumman у Редондо-Біч, де інженери готуються використовувати мостовий кран, щоб прикріпити його до Інтегрованого науково-інструментального модуля (ISIM). ISIM — це ядро ​​Вебба, чотири наукові інструменти, на яких розміщено телескоп.
Перш ніж прилад MIRI — один із чотирьох наукових приладів обсерваторії — зможе працювати, його необхідно охолодити майже до найнижчої температури, якої може досягти матерія.
Космічний телескоп імені Джеймса Вебба NASA, запуск якого заплановано на 24 грудня, є найбільшою космічною обсерваторією в історії, і перед нею стоїть не менш складне завдання: збирати інфрачервоне світло з віддалених куточків Всесвіту, що дозволить вченим досліджувати структуру та походження Всесвіту. Наш Всесвіт і наше місце в ньому.
Багато космічних об'єктів, включаючи зірки та планети, а також газ і пил, з яких вони утворюються, випромінюють інфрачервоне світло, яке іноді називають тепловим випромінюванням. Але так само випромінюють і більшість інших теплих об'єктів, таких як тостери, люди та електроніка. Це означає, що чотири інфрачервоні прилади Вебба можуть виявляти власне інфрачервоне світло. Щоб зменшити ці випромінювання, прилад повинен бути дуже холодним — близько 40 Кельвінів, або мінус 388 градусів за Фаренгейтом (мінус 233 градуси за Цельсієм). Але для належного функціонування детектори всередині приладу середнього інфрачервоного діапазону, або MIRI, повинні охолоджуватися: нижче 7 Кельвінів (мінус 448 градусів за Фаренгейтом, або мінус 266 градусів за Цельсієм).
Це лише на кілька градусів вище абсолютного нуля (0 Кельвінів) – найнижчої температури, теоретично можливої, хоча фізично вона ніколи не досяжна, оскільки вона являє собою повну відсутність будь-якого тепла. (Однак MIRI не є найхолоднішим інструментом для візуалізації, що працює в космосі.)
Температура, по суті, є мірою швидкості руху атомів, і, крім виявлення власного інфрачервоного світла, детектори Webb можуть спрацьовувати за допомогою власних теплових коливань. MIRI виявляє світло в нижчому діапазоні енергії, ніж три інші прилади. Як результат, його детектори чутливіші до теплових коливань. Ці небажані сигнали астрономи називають «шумом», і вони можуть перекривати слабкі сигнали, які Webb намагається виявити.
Після запуску Webb розгорне козирок розміром з тенісний корт, який захищатиме MIRI та інші інструменти від сонячного тепла, дозволяючи їм пасивно охолоджуватися. Приблизно через 77 днів після запуску кріохолодильник MIRI знадобиться 19 днів, щоб знизити температуру детекторів інструменту нижче 7 Кельвінів.
«На Землі відносно легко охолодити речі до такої температури, часто для наукових або промислових застосувань», — сказав Костянтин Пенанен, експерт з кріохолодильників у Лабораторії реактивного руху NASA у Південній Каліфорнії, яка керує приладом MIRI для NASA. «Але ці наземні системи дуже громіздкі та енергоефективні. Для космічної обсерваторії нам потрібен охолоджувач, який є фізично компактним, енергоефективним, і він має бути дуже надійним, тому що ми не можемо вийти та полагодити його. Тож це ті виклики, з якими ми стикаємося. У цьому відношенні я б сказав, що кріохолодильники MIRI безумовно знаходяться на передовій».
Одна з наукових цілей Вебба — вивчення властивостей перших зірок, що утворилися у Всесвіті. Камера Вебба, що працює в ближньому інфрачервоному діапазоні, або прилад NIRCam, зможе виявляти ці надзвичайно віддалені об'єкти, а MIRI допоможе вченим підтвердити, що ці слабкі джерела світла є скупченнями зірок першого покоління, а не зірок другого покоління, які утворилися пізніше в процесі еволюції галактики.
Спостерігаючи за пиловими хмарами, які товщі, ніж інструменти ближнього інфрачервоного діапазону, MIRI виявить місця народження зірок. Він також виявить молекули, які зазвичай зустрічаються на Землі, такі як вода, вуглекислий газ і метан, а також молекули кам'янистих мінералів, таких як силікати, у холодних середовищах навколо сусідніх зірок, де можуть утворюватися планети. Прилади ближнього інфрачервоного діапазону краще виявляють ці молекули у вигляді пари в гарячіших середовищах, тоді як MIRI може бачити їх як лід.
«Поєднавши досвід США та Європи, ми розробили MIRI як потужний інструмент Вебба, що дозволить астрономам з усього світу відповісти на важливі питання про те, як формуються та еволюціонують зірки, планети та галактики», – сказала Джилліан Райт, співкерівниця наукової групи MIRI та головна європейська дослідниця інструменту в Центрі астрономічних технологій Великої Британії (UK ATC).
Кріохолодильник MIRI використовує газоподібний гелій — достатньо, щоб заповнити приблизно дев'ять повітряних кульок — для відведення тепла від детекторів приладу. Два електричні компресори перекачують гелій через трубку, яка простягається до місця розташування детектора. Трубка проходить через металевий блок, який також прикріплений до детектора; охолоджений гелій поглинає надлишкове тепло з блоку, підтримуючи робочу температуру детектора нижче 7 Кельвінів. Нагрітий (але все ще холодний) газ потім повертається до компресора, де він виштовхує надлишкове тепло, і цикл починається знову. По суті, система подібна до тієї, що використовується в побутових холодильниках і кондиціонерах.
Труби, що переносять гелій, виготовлені з позолоченої нержавіючої сталі та мають діаметр менше однієї десятої дюйма (2,5 мм). Вони простягаються приблизно на 10 метрів (30 футів) від компресора, розташованого в зоні корпусу космічного корабля, до детектора MIRI в оптичному телескопічному елементі, розташованому за стільниковим первинним дзеркалом обсерваторії. Апаратне забезпечення, яке називається розгортаємою баштовою збіркою, або DTA, з'єднує ці дві зони. Під час пакування для запуску DTA стискається, трохи схоже на поршень, щоб допомогти встановити складену обсерваторію в захист на вершині ракети. Опинившись у космосі, вежа розширюється, щоб відокремити корпус космічного корабля кімнатної температури від більш холодних оптичних телескопічних інструментів і дозволити сонцезахисному козирку та телескопу повністю розгорнутися.
Ця анімація показує ідеальне виконання розгортання космічного телескопа Джеймса Вебба через кілька годин і днів після запуску. Розширення центральної розгортуваної вежі збільшить відстань між двома частинами MIRI. Вони з'єднані спіральними трубками з охолодженим гелієм.
Але процес подовження вимагає, щоб гелієву трубку було подовжено за допомогою розширюваного вузла вежі. Тож трубка скручується, як пружина, тому інженери MIRI прозвали цю частину трубки «Слінкі».
«Існують певні труднощі в роботі над системою, яка охоплює кілька регіонів обсерваторії», – сказала Аналін Шнайдер, керівник програми JPL MIRI. «Ці різні регіони очолюють різні організації чи центри, включаючи Northrop Grumman та Центр космічних польотів імені Годдарда NASA, і нам доводиться спілкуватися з усіма. На телескопі немає іншого обладнання, яке потребує цього, тому це унікальний виклик для MIRI. Це точно була довга черга на кріохолоджувачі MIRI, і ми готові побачити їх у космосі».
Космічний телескоп імені Джеймса Вебба буде запущено у 2021 році як провідна у світі обсерваторія космічних наук. Вебб розкриє таємниці нашої Сонячної системи, зазирне у далекі світи навколо інших зірок, а також дослідить таємничі структури та походження нашого Всесвіту та нашого місця. Вебб – це міжнародна ініціатива, яку очолюють NASA та її партнери ESA (Європейське космічне агентство) та Канадське космічне агентство.
MIRI було розроблено завдяки партнерству 50 на 50 між NASA та ESA (Європейським космічним агентством). JPL очолює зусилля США щодо MIRI, а багатонаціональний консорціум європейських астрономічних інститутів робить свій внесок у ESA. Джордж Ріке з Університету Аризони є керівником наукової групи MIRI в США. Джилліан Райт є керівником європейської наукової групи MIRI.
Алістер Гласс з ATC, Велика Британія, є науковим співробітником MIRI Instrument Scientist, а Майкл Ресслер — науковим співробітником проекту в JPL у США. Ласло Тамас з ATC у Великій Британії керує Європейським Союзом. Розробку кріохолодильника MIRI очолювала та керувала JPL у співпраці з Центром космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд, та Northrop Grumman у Редондо-Біч, Каліфорнія.