Các kỹ sư tiến hành "kiểm tra nghiệm thu" thiết bị hồng ngoại tầm trung của kính viễn vọng không gian James Webb tại Trung tâm Không gian Goddard của NASA sau khi nó rời khỏi Vương quốc Anh.
Các kỹ thuật viên bay của JPL, Johnny Melendez (phải) và Joe Mora, kiểm tra bộ làm lạnh đông lạnh MIRI trước khi vận chuyển đến Northrop Grumman ở Redondo Beach, California. Tại đó, bộ làm lạnh được gắn vào thân kính viễn vọng Webb.
Bộ phận này của thiết bị MIRI, được thấy tại Phòng thí nghiệm Appleton ở Rutherford, Anh, chứa các bộ dò hồng ngoại. Bộ làm lạnh bằng khí nitơ lỏng được đặt cách xa bộ dò vì nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Một ống dẫn khí heli lạnh nối hai phần này.
MIRI (bên trái) được đặt trên một thanh cân bằng tại nhà máy 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 kính viễn vọng Webb, bao gồm bốn thiết bị khoa học tạo nên kính viễn vọng này.
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 gần nhiệt độ lạnh nhất mà vật chất có thể đạt được.
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 nó có một nhiệm vụ cũng đầy thách thức không kém: thu thập ánh sáng hồng ngoại từ những góc xa xôi của vũ trụ, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc và nguồn gốc của vũ trụ. Vũ trụ của chúng ta và vị trí của chúng ta trong đó.
Nhiều vật thể trong vũ trụ — bao gồm các ngôi sao và hành tinh, cũng như khí và bụi tạo nên chúng — phát ra ánh sáng hồng ngoại, đôi khi được gọi là bức xạ nhiệt. Nhưng hầu hết các vật thể ấm khác cũng vậy, như máy nướng bánh mì, con người và thiết bị điện tử. Điều đó có nghĩa là bốn thiết bị hồng ngoại của Webb có thể phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại của chính chúng. Để giảm thiểu sự phát xạ này, thiết bị phải rất lạnh — khoảng 40 Kelvin, hay âm 388 độ F (âm 233 độ C). Nhưng để hoạt động đúng cách, các bộ детектор bên trong thiết bị hồng ngoại tầm trung, hay MIRI, phải lạnh hơn nữa: dưới 7 Kelvin (âm 448 độ F, hay âm 266 độ C).
Nhiệt độ đó chỉ cao hơn độ không tuyệt đối (0 Kelvin) vài độ – nhiệt độ lạnh nhất về mặt lý thuyết có thể đạt được, mặc dù trên thực tế không bao giờ đạt được vì nó thể hiện sự hoàn toàn không có nhiệt. (Tuy nhiên, MIRI không phải là thiết bị chụp ảnh lạnh nhất đang 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 mình, các bộ dò của kính viễn vọng Webb còn có thể bị kích hoạt bởi các rung động nhiệt của chính chúng. MIRI phát hiện ánh sáng trong dải năng lượng thấp hơn so với ba thiết bị còn lại. Do đó, các bộ dò của nó nhạy cảm hơn với các rung động nhiệt. Những tín hiệu không mong muốn này được 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 chắn 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 một cách thụ động. Bắt đầu khoảng 77 ngày sau khi phóng, hệ thống làm lạnh bằng khí nitơ lỏng của MIRI sẽ mất 19 ngày để giảm nhiệt độ của các bộ phận dò của thiết bị xuống dưới 7 Kelvin.
“Việc làm lạnh 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, chuyên gia về hệ thống làm lạnh bằng khí nitơ lỏng tại Phòng thí nghiệm Phản lực của NASA ở Nam California, nơi quản lý thiết bị MIRI cho NASA, cho biết. “Nhưng các hệ thống trên Trái đất đó rất cồng kềnh và tốn năng lượng. Đối với một đài quan sát không gian, chúng ta cần một hệ thống làm lạnh nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và phải có độ tin cậy cao vì chúng ta không thể ra ngoài và sửa chữa nó. Vì vậy, đây là những thách thức mà chúng ta phải đối mặt. Về mặt đó, tôi cho rằng các hệ thống làm lạnh bằng khí nitơ lỏng của MIRI chắc chắn đang dẫn đầu.”
Một trong những mục tiêu khoa học của kính viễn vọng Webb là nghiên cứu các đặc tính của những ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ. Camera hồng ngoại gần (NIRCam) của Webb sẽ có khả năng phát hiện những vật thể cực kỳ xa xôi này, và MIRI sẽ giúp các nhà khoa học xác nhận rằng những nguồn sáng mờ nhạt này là các cụm sao thế hệ đầu tiên, chứ không phải là các ngôi sao thế hệ thứ hai hình thành sau này trong quá trình tiến hóa của thiên hà.
Bằng cách quan sát các đám mây bụi dày hơn các thiết bị hồng ngoại gần, MIRI sẽ tiết lộ nơi hình thành của các ngôi sao. Nó cũng sẽ phát hiện các phân tử thường thấy trên Trái đất — chẳng hạn như nước, carbon dioxide và metan, cũng như các phân tử khoáng chất đá như silicat — trong môi trường lạnh xung quanh các ngôi sao gần đó, nơi các hành tinh có thể hình thành. Các thiết bị hồng ngoại gần tốt hơn trong việc phát hiện các phân tử này dưới dạng hơi trong môi trường nóng hơn, trong khi MIRI có thể nhìn thấy chúng dưới dạng băng.
“Bằng cách kết hợp chuyên môn của Mỹ và châu Âu, chúng tôi đã phát triển MIRI như một phần sức mạnh của kính viễn vọng Webb, cho phép các nhà thiên văn học trên toàn thế giới trả lời những câu hỏi lớn về cách các ngôi sao, hành tinh và thiên hà hình thành và tiến hóa”, Gillian Wright, đồng trưởng nhóm khoa học MIRI và điều tra viên chính của châu Âu về thiết bị này tại Trung tâm Công nghệ Thiên văn Anh (UK ATC) cho biết.
Hệ thống làm lạnh bằng khí heli của MIRI sử dụng khí heli – lượng khí đủ để bơm đầy khoảng chín quả bóng bay – để dẫn nhiệt ra khỏi các đầu dò của thiết bị. Hai máy nén điện bơm khí heli qua một ống dẫn kéo dài đến vị trí đặt đầu dò. Ống dẫn này chạy xuyên qua một khối kim loại cũng được gắn vào đầu dò; khí heli đã được làm mát sẽ hấp thụ nhiệt dư thừa từ khối kim loại, giữ cho nhiệt độ hoạt động của đầu dò dưới 7 Kelvin. Khí đã được làm nóng (nhưng vẫn lạnh) sau đó quay trở lại máy nén, nơi nó thải nhiệt dư thừa ra ngoài, và chu kỳ 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 đình.
Các ống dẫn khí heli được làm bằng thép không gỉ mạ vàng và có đường kính nhỏ hơn 2,5 mm. Chúng kéo dài khoảng 10 mét từ máy nén nằm trong khu vực thân tàu vũ trụ đến bộ dò MIRI trong thấu kính quang học nằm phía sau gương chính dạng tổ ong của đài quan sát. Một thiết bị phần cứng gọi là cụm tháp triển khai (DTA) kết nối hai khu vực này. Khi được đóng gói để phóng, DTA được nén lại, giống như một pít-tông, để giúp lắp đặt đài quan sát đã được cất giữ vào lớp bảo vệ trên đỉnh tên lửa. Khi ở trong không gian, tháp sẽ mở rộng để tách thân tàu vũ trụ ở nhiệt độ phòng khỏi các thiết bị kính viễn vọng quang học có nhiệt độ thấp hơn và cho phép tấm chắn nắng và kính viễn vọng được triển khai hoàn toàn.
Hoạt ảnh này mô tả quá trình triển khai lý tưởng của Kính viễn vọng không gian James Webb vài giờ và vài ngày sau khi phóng. Việc mở rộng cụm tháp có thể triển khai trung tâm sẽ làm tăng khoảng cách giữa hai phần của MIRI. Chúng được kết nối bằng các ống xoắn ốc chứa khí heli được làm mát.
Nhưng quá trình kéo dài đòi hỏi ống heli phải được kéo dài bằng cụm tháp có thể mở rộng. Vì vậy, ống sẽ cuộn lại như một lò xo, đó là lý do tại sao các kỹ sư của MIRI đặt biệt danh cho phần này của ống là "Slinky".
“Việc vận hành một hệ thống trải rộng trên nhiều khu vực của đài quan sát gặp phải một số thách thức,” Analyn Schneider, quản lý chương trình MIRI của JPL, cho biết. “Các khu vực khác nhau này do các tổ chức hoặc trung tâm khác nhau điều hành, bao gồm Northrop Grumman và Trung tâm Không gian Goddard của NASA Hoa Kỳ, chúng tôi phải liên lạc với tất cả mọi người. Không có thiết bị phần cứng nào khác trên kính viễn vọng cần thực hiện điều đó, vì vậy đây là một thách thức riêng biệt đối với MIRI. Chắc chắn đây là một chặng đường dài để phát triển hệ thống làm lạnh cryo cho MIRI, và chúng tôi đã sẵn sàng để chứng kiến ​​nó hoạt động trong không gian.”
Kính viễn vọng không gian James Webb sẽ được phóng vào năm 2021, trở thành đài quan sát khoa học vũ trụ hàng đầu thế giới. Webb sẽ làm sáng tỏ những bí ẩn của hệ mặt trời, quan sát các thế giới xa xôi xung quanh các ngôi sao khác, và khám phá cấu trúc và nguồn gốc bí ẩn của vũ trụ và vị trí của chúng ta. Webb là một sáng kiến ​​quốc tế do NASA dẫn đầu cùng với các đối tác ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) và Cơ quan Vũ trụ Canada.
MIRI được phát triển thông qua sự hợp tác 50-50 giữa NASA và ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu). JPL dẫn đầu nỗ lực của Hoa Kỳ đối với MIRI, và một liên minh đa quốc gia gồm các viện thiên văn học châu Âu đóng góp cho ESA. George Rieke thuộc Đại học Arizona là trưởng nhóm khoa học của Hoa Kỳ đối với MIRI. Gillian Wright là người đứng đầu nhóm khoa học châu Âu của MIRI.
Alistair Glasse của ATC, Anh là nhà khoa học phụ trách thiết bị MIRI và Michael Ressler là nhà khoa học dự án của Mỹ tại JPL. Laszlo Tamas của ATC Anh phụ trách Liên minh Châu Âu. Việc phát triển hệ thống làm lạnh bằng khí nitơ lỏng MIRI được dẫn dắt và quản lý bởi JPL phối hợp với Trung tâm Không gian Goddard của NASA tại Greenbelt, Maryland và Northrop Grumman tại Redondo Beach, California.