Các kỹ sư tiến hành “kiểm tra” thiết bị hồng ngoại tầm trung của Kính viễn vọng không gian James Webb tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA sau khi khởi hành từ Vương quốc Anh.
Các kỹ thuật viên chuyến bay của JPL là Johnny Melendez (phải) và Joe Mora đang kiểm tra máy làm lạnh MIRI trước khi vận chuyển đến Northrop Grumman ở Redondo Beach, California. Tại đây, máy làm lạnh được gắn vào thân kính viễn vọng Webb.
Bộ phận này của thiết bị MIRI, được nhìn thấy tại Phòng thí nghiệm Appleton ở Rutherford, Vương quốc Anh, chứa các máy dò hồng ngoại. Máy làm lạnh được đặt cách xa máy dò vì nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Một ống chứa heli lạnh kết nối hai phần.
MIRI (bên trái) nằm trên một thanh xà cân bằng tại Northrop Grumman ở Redondo Beach khi các kỹ sư chuẩn bị sử dụng cần cẩu trên cao để gắn nó vào Mô-đun thiết bị khoa học tích hợp (ISIM). ISIM là lõi của Webb, bao gồm bốn thiết bị khoa học chứa kính viễn vọng.
Trước khi thiết bị MIRI — một trong bốn thiết bị khoa học trên đài quan sát — có thể hoạt động, nó phải được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng nhiệt độ lạnh nhất mà vật chất có thể đạt tới.
Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA, dự kiến ​​phóng vào ngày 24 tháng 12, là đài quan sát không gian lớn nhất trong lịch sử và có một nhiệm vụ khó khăn không kém: thu thập ánh sáng hồng ngoại từ những góc xa xôi của vũ trụ, cho phép các nhà khoa học thăm dò cấu trúc và nguồn gốc của vũ trụ. Vũ trụ của chúng ta và vị trí của chúng ta trong đó.
Nhiều vật thể vũ trụ — bao gồm các ngôi sao và hành tinh, cũng như khí và bụi mà chúng hình thành — phát ra ánh sáng hồng ngoại, đôi khi được gọi là bức xạ nhiệt. Nhưng hầu hết các vật thể ấm khác, như máy nướng bánh mì, con người và thiết bị điện tử cũng vậy. Điều đó có nghĩa là bốn thiết bị hồng ngoại của Webb có thể phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại của riêng chúng. Để giảm các bức xạ này, thiết bị phải rất lạnh — khoảng 40 Kelvin, hoặc âm 388 độ Fahrenheit (âm 233 độ C). Nhưng để hoạt động bình thường, các máy dò bên trong thiết bị hồng ngoại giữa, hay MIRI, phải trở nên lạnh hơn: dưới 7 Kelvin (âm 448 độ Fahrenheit, hoặc âm 266 độ C).
Chỉ cao hơn một vài độ so với độ không tuyệt đối (0 Kelvin) – nhiệt độ lạnh nhất có thể về mặt lý thuyết, mặc dù về mặt vật lý, nó không bao giờ có thể đạt tới được vì nó thể hiện sự vắng bóng hoàn toàn của bất kỳ nhiệt lượng nào. (Tuy nhiên, MIRI không phải là thiết bị chụp ảnh lạnh nhất hoạt động trong không gian.)
Nhiệt độ về cơ bản là thước đo tốc độ chuyển động của các nguyên tử và ngoài việc phát hiện ánh sáng hồng ngoại của chính chúng, các máy dò Webb có thể được kích hoạt bởi các rung động nhiệt của chính chúng. MIRI phát hiện ánh sáng trong phạm vi năng lượng thấp hơn so với ba thiết bị khác. Do đó, các máy dò của nó nhạy cảm hơn với các rung động nhiệt. Các tín hiệu không mong muốn này là thứ mà các nhà thiên văn học gọi là "nhiễu" và chúng có thể lấn át các tín hiệu yếu mà Webb đang cố gắng phát hiện.
Sau khi phóng, Webb sẽ triển khai một tấm che có kích thước bằng sân tennis để bảo vệ MIRI và các thiết bị khác khỏi sức nóng của mặt trời, cho phép chúng làm mát thụ động. Khoảng 77 ngày sau khi phóng, máy làm lạnh của MIRI sẽ mất 19 ngày để giảm nhiệt độ của các máy dò thiết bị xuống dưới 7 Kelvin.
“Việc làm mát mọi thứ xuống nhiệt độ đó trên Trái đất tương đối dễ dàng, thường là cho các ứng dụng khoa học hoặc công nghiệp”, Konstantin Penanen, một chuyên gia về máy làm lạnh đông lạnh tại Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA ở Nam California, đơn vị quản lý thiết bị MIRI cho NASA, cho biết. “Nhưng các hệ thống trên Trái đất đó rất cồng kềnh và không hiệu quả về năng lượng. Đối với một đài quan sát không gian, chúng tôi cần một máy làm lạnh nhỏ gọn về mặt vật lý, hiệu quả về năng lượng và phải có độ tin cậy cao vì chúng tôi không thể ra ngoài và sửa chữa nó. Vì vậy, đây là những thách thức mà chúng tôi phải đối mặt. Về mặt đó, tôi cho rằng máy làm lạnh đông lạnh MIRI chắc chắn là tiên tiến nhất”.
Một trong những mục tiêu khoa học của Webb là nghiên cứu đặc tính của những ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ. Máy ảnh cận hồng ngoại hoặc thiết bị NIRCam của Webb sẽ có thể phát hiện ra những vật thể cực xa này và MIRI sẽ giúp các nhà khoa học xác nhận rằng những nguồn sáng yếu này là cụm sao thế hệ đầu tiên, chứ không phải là sao thế hệ thứ hai hình thành sau trong quá trình tiến hóa của thiên hà.
Bằng cách quan sát các đám mây bụi dày hơn các thiết bị cận hồng ngoại, MIRI sẽ tiết lộ nơi sinh của các ngôi sao. Thiết bị này cũng sẽ phát hiện các phân tử thường thấy trên Trái đất — chẳng hạn như nước, carbon dioxide và methane, cũng như các phân tử khoáng chất đá như silicat — trong môi trường mát mẻ xung quanh các ngôi sao gần đó, nơi các hành tinh có thể hình thành. Các thiết bị cận hồng ngoại phát hiện tốt hơn các phân tử này dưới dạng hơi trong môi trường nóng hơn, trong khi MIRI có thể nhìn thấy chúng dưới dạng băng.
Gillian Wright, Đồng trưởng nhóm khoa học MIRI và là Nhà nghiên cứu chính của Châu Âu về thiết bị này tại Trung tâm Công nghệ Thiên văn Vương quốc Anh (UK ATC), cho biết: “Bằng cách kết hợp chuyên môn của Hoa Kỳ và Châu Âu, chúng tôi đã phát triển MIRI như một sức mạnh của Webb, cho phép các nhà thiên văn học trên khắp thế giới trả lời những câu hỏi lớn về cách các ngôi sao, hành tinh và thiên hà hình thành và tiến hóa”.
Máy làm lạnh MIRI sử dụng khí heli—đủ để lấp đầy khoảng chín quả bóng bay tiệc—để dẫn nhiệt ra khỏi các đầu dò của thiết bị. Hai máy nén điện bơm heli qua một ống kéo dài đến nơi đặt đầu dò. Ống chạy qua một khối kim loại cũng được gắn vào đầu dò; heli được làm mát sẽ hấp thụ nhiệt dư thừa từ khối, giúp giữ nhiệt độ hoạt động của đầu dò dưới 7 Kelvin. Khí được làm nóng (nhưng vẫn lạnh) sau đó quay trở lại máy nén, tại đây nó sẽ đẩy nhiệt dư thừa ra ngoài và chu trình bắt đầu lại. Về cơ bản, hệ thống này tương tự như hệ thống được sử dụng trong tủ lạnh và máy điều hòa không khí gia dụng.
Các ống dẫn khí heli được làm bằng thép không gỉ mạ vàng và có đường kính nhỏ hơn một phần mười inch (2,5 mm). Nó kéo dài khoảng 30 feet (10 mét) từ máy nén nằm trong khu vực xe buýt tàu vũ trụ đến máy dò MIRI trong thành phần kính viễn vọng quang học nằm phía sau gương chính hình tổ ong của đài quan sát. Phần cứng được gọi là cụm tháp triển khai, hay DTA, kết nối hai khu vực. Khi được đóng gói để phóng, DTA được nén lại, giống như một piston, để giúp lắp đài quan sát đã cất vào lớp bảo vệ trên đỉnh tên lửa. Khi đã vào không gian, tháp sẽ mở rộng để tách xe buýt tàu vũ trụ ở nhiệt độ phòng khỏi các thiết bị kính viễn vọng quang học mát hơn và cho phép tấm che nắng và kính viễn vọng triển khai hoàn toàn.
Hình ảnh động này cho thấy quá trình triển khai lý tưởng của Kính viễn vọng không gian James Webb sau nhiều giờ và nhiều ngày kể từ khi phóng. Việc mở rộng cụm tháp triển khai trung tâm sẽ làm tăng khoảng cách giữa hai phần của MIRI. Chúng được kết nối bằng các ống xoắn ốc chứa heli được làm mát.
Nhưng quá trình kéo dài đòi hỏi phải kéo dài ống heli bằng cụm tháp có thể mở rộng. Do đó, ống cuộn lại giống như lò xo, đó là lý do tại sao các kỹ sư MIRI đặt biệt danh cho phần ống này là “Slinky”.
“Có một số thách thức khi làm việc trên một hệ thống trải dài trên nhiều khu vực của đài quan sát”, Analyn Schneider, giám đốc chương trình JPL MIRI cho biết. “Những khu vực khác nhau này do các tổ chức hoặc trung tâm khác nhau lãnh đạo, bao gồm Northrop Grumman và Trung tâm bay không gian Goddard của NASA Hoa Kỳ, chúng tôi phải trao đổi với mọi người. Không có phần cứng nào khác trên kính viễn vọng cần thực hiện điều đó, vì vậy đây là một thách thức riêng đối với MIRI. Chắc chắn là phải xếp hàng dài để có thể sử dụng máy làm lạnh đông lạnh MIRI, và chúng tôi đã sẵn sàng để chứng kiến ​​điều đó trong không gian”.
Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ được phóng vào năm 2021 với tư cách là đài quan sát khoa học vũ trụ hàng đầu thế giới. Webb sẽ giải mã những bí ẩn trong hệ mặt trời của chúng ta, quan sát những thế giới xa xôi xung quanh các ngôi sao khác và khám phá những cấu trúc và nguồn gốc bí ẩn của vũ trụ cũng như vị trí của chúng ta. Webb là sáng kiến ​​quốc tế do NASA và các đối tác ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) và Cơ quan Vũ trụ Canada đứng đầu.
MIRI được phát triển thông qua quan hệ đối tác 50-50 giữa NASA và ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu). JPL dẫn đầu nỗ lực của Hoa Kỳ cho MIRI và một tập đoàn đa quốc gia gồm các viện thiên văn học châu Âu đóng góp cho ESA. George Rieke của Đại học Arizona là trưởng nhóm khoa học MIRI tại Hoa Kỳ. Gillian Wright là người đứng đầu nhóm khoa học MIRI tại Châu Âu.
Alistair Glasse của ATC, Vương quốc Anh là Nhà khoa học về thiết bị MIRI và Michael Ressler là Nhà khoa học dự án Hoa Kỳ tại JPL. Laszlo Tamas của ATC Vương quốc Anh điều hành Liên minh châu Âu. Quá trình phát triển máy làm lạnh MIRI được JPL dẫn đầu và quản lý với sự hợp tác của Trung tâm bay không gian Goddard của NASA tại Greenbelt, Maryland và Northrop Grumman tại Redondo Beach, California.