Инженерите провеждат „приемане“ на средния инфрачервен инструмент на космическия телескоп „Джеймс Уеб“ в Центъра за космически полети Годард на НАСА след заминаване от Обединеното кралство.
Полетните техници на JPL Джони Мелендес (вдясно) и Джо Мора инспектират криоохладителя MIRI, преди да го изпратят до Northrop Grumman в Редондо Бийч, Калифорния. Там охладителят е прикрепен към тялото на телескопа Webb.
Тази част от инструмента MIRI, видяна в Appleton Laboratory в Ръдърфорд, Обединеното кралство, съдържа инфрачервени детектори. Криоохладителят е разположен далеч от детектора, защото работи при по-висока температура. Тръба, пренасяща студен хелий, свързва двете секции.
MIRI (вляво) седи на балансираща греда в Northrop Grumman в Редондо Бийч, докато инженерите се подготвят да използват мостов кран, за да го прикрепят към интегрирания научен инструментален модул (ISIM). ISIM е ядрото на Webb, четирите научни инструмента, в които се намира телескопът.
Преди инструментът MIRI - един от четирите научни инструмента в обсерваторията - да може да работи, той трябва да бъде охладен до почти най-ниската температура, която материята може да достигне.
Космическият телескоп Джеймс Уеб на НАСА, планиран да бъде изстрелян на 24 декември, е най-голямата космическа обсерватория в историята и има също толкова плашеща задача: да събира инфрачервена светлина от отдалечени ъгли на Вселената, позволявайки на учените да изследват структурата и произхода на Вселената. Нашата Вселена и нашето място в нея.
Много космически обекти — включително звезди и планети, както и газът и прахът, от които те се образуват — излъчват инфрачервена светлина, понякога наричана топлинна радиация. Но същото е и с повечето други топли обекти, като тостери, хора и електроника. Това означава, че четирите инфрачервени инструмента на Webb могат да открият собствената си инфрачервена светлина. За да се намалят тези емисии, инструментът трябва да е много студен — около 40 Келвина или минус 388 градуса по Фаренхайт (мин. 233 градуса по Целзий). Но за да функционират правилно, детекторите в средния инфрачервен инструмент или MIRI трябва да станат по-студени: под 7 Келвина (минус 448 градуса по Фаренхайт или минус 266 градуса по Целзий).
Това е само няколко градуса над абсолютната нула (0 Келвина) – теоретично най-ниската възможна температура, въпреки че никога не е физически постижима, защото представлява пълно отсъствие на топлина. (Въпреки това MIRI не е най-студеният инструмент за изображения, работещ в космоса.)
Температурата по същество е мярка за това колко бързо се движат атомите и в допълнение към откриването на тяхната собствена инфрачервена светлина, детекторите Webb могат да бъдат задействани от собствените си топлинни вибрации. MIRI открива светлина в по-нисък енергиен диапазон от другите три инструмента. В резултат на това детекторите му са по-чувствителни към топлинни вибрации. Тези нежелани сигнали са това, което астрономите наричат ​​„шум“ и те могат да заглушат слабите сигнали, които Webb се опитва да открие.
След стартирането Webb ще разположи козирка с размерите на тенис корт, която предпазва MIRI и други инструменти от слънчевата топлина, позволявайки им да се охлаждат пасивно. Започвайки около 77 дни след стартирането, криоохладителят на MIRI ще отнеме 19 дни, за да намали температурата на детекторите на инструмента до под 7 Келвина.
„Сравнително лесно е да се охладят нещата до тази температура на Земята, често за научни или индустриални приложения“, каза Константин Пенанен, експерт по криоохладители в Лабораторията за реактивни двигатели на НАСА в Южна Калифорния., който управлява инструмента MIRI за НАСА.“ Но тези базирани на Земята системи са много обемисти и енергийно неефективни.За космическа обсерватория се нуждаем от охладител, който е физически компактен, енергийно ефективен и трябва да бъде много надежден, защото не можем да излезем и да го поправим.Така че това са предизвикателствата, пред които сме изправени., в това отношение, бих казал, че криоохладителите MIRI определено са в челните редици.“
Една от научните цели на Уеб е да проучи свойствата на първите звезди, които са се образували във Вселената. Близката инфрачервена камера на Уеб или инструментът NIRCam ще могат да откриват тези изключително отдалечени обекти, а MIRI ще помогне на учените да потвърдят, че тези слаби източници на светлина са клъстери от звезди от първо поколение, а не звезди от второ поколение, които са се образували по-късно в еволюцията на галактиката.
Разглеждайки облаци прах, които са по-дебели от инструментите в близката инфрачервена област, MIRI ще разкрие местата на раждане на звездите. Той също така ще открие молекули, които обикновено се срещат на Земята - като вода, въглероден диоксид и метан, както и молекули от скалисти минерали като силикати - в хладната среда около близките звезди, където могат да се образуват планети. Инструментите в близката инфрачервена област са по-добри при откриването на тези молекули като пари в по-горещи среди , докато MIRI може да ги види като лед.
„Чрез комбиниране на експертен опит от САЩ и Европа, ние разработихме MIRI като силата на Webb, която ще позволи на астрономи от цял ​​свят да отговорят на големи въпроси за това как звездите, планетите и галактиките се формират и еволюират“, каза Джилиан Райт, съ-ръководител на научния екип на MIRI и европейски главен изследовател на инструмента в Центъра за астрономически технологии на Обединеното кралство (UK ATC).
Криоохладителят MIRI използва газ хелий – достатъчен, за да напълни около девет парти балона – за да отведе топлината от детекторите на инструмента. Два електрически компресора изпомпват хелий през тръба, която се простира до мястото, където се намира детекторът. Тръбата минава през метален блок, който също е прикрепен към детектора;охладеният хелий абсорбира излишната топлина от блока, като поддържа работната температура на детектора под 7 Келвина. След това нагрятият (но все още студен) газ се връща в компресора, където изхвърля излишната топлина и цикълът започва отново. По същество системата е подобна на тази, използвана в домашните хладилници и климатици.
Тръбите, които пренасят хелий, са изработени от позлатена неръждаема стомана и са с диаметър по-малък от една десета от инча (2,5 mm). Тя се простира на около 30 фута (10 метра) от компресора, разположен в зоната на автобуса на космическия кораб, до MIRI детектора в елемента на оптичния телескоп, разположен зад основното огледало на обсерваторията с форма на пчелна пита. Хардуерът, наречен разгъваем монтаж на кула, или DTA, свързва двете зони. Когато са опаковани за изстрелването DTA се компресира, малко като бутало, за да помогне за инсталирането на прибраната обсерватория в защитата на върха на ракетата. Веднъж в космоса, кулата ще се разшири, за да отдели автобуса на космическия кораб със стайна температура от по-хладните инструменти на оптичния телескоп и ще позволи на сенника и телескопа да се разгърнат напълно.
Тази анимация показва идеалното изпълнение на разгръщането на космическия телескоп Джеймс Уеб часове и дни след изстрелването. Разширяването на централния монтаж на разгъваема кула ще увеличи разстоянието между двете части на MIRI. Те са свързани чрез спирални тръби с охладен хелий.
Но процесът на удължаване изисква хелиевата тръба да бъде удължена с разширяемия възел на кулата. Така че тръбата се навива като пружина, поради което инженерите на MIRI кръстиха тази част на тръбата „Slinky“.
„Има някои предизвикателства при работата по система, която обхваща множество региони на обсерваторията“, каза Аналин Шнайдер, програмен мениджър на JPL MIRI.„Тези различни региони се ръководят от различни организации или центрове, включително Northrop Grumman и Goddard Space Flight Center на НАСА в САЩ, ние трябва да говорим с всички.Няма друг хардуер на телескопа, който трябва да прави това, така че това е предизвикателство, уникално за MIRI.Определено беше дълга опашка за пътя за криоохладители MIRI и ние сме готови да го видим в космоса.“
Космическият телескоп Джеймс Уеб ще стартира през 2021 г. като най-голямата обсерватория за космическа наука в света. Уеб ще разкрие мистериите на нашата слънчева система, ще погледне към далечни светове около други звезди и ще изследва мистериозните структури и произхода на нашата вселена и нашето място. Уеб е международна инициатива, ръководена от НАСА и нейните партньори ESA (Европейската космическа агенция) и Канадската космическа агенция.
MIRI е разработен чрез партньорство 50-50 между НАСА и ESA (Европейска космическа агенция). JPL ръководи усилията на САЩ за MIRI, а мултинационален консорциум от европейски астрономически институти допринася за ESA. Джордж Рике от Университета на Аризона е ръководител на американския научен екип на MIRI. Джилиан Райт е ръководител на европейския научен екип на MIRI.
Алистър Глас от ATC, Обединеното кралство е учен по прибори в MIRI, а Майкъл Реслър е учен по проекти на САЩ в JPL. Ласло Тамас от ATC на Обединеното кралство отговаря за Европейския съюз. Разработването на криоохладителя MIRI беше ръководено и управлявано от JPL в сътрудничество с Goddard Space Flight Center на НАСА в Грийнбелт, Мериленд, и Northrop Grumman в Редондо Бийч, Калифорния.