Els enginyers realitzen una "acceptació" de l'instrument d'infraroig mitjà del telescopi espacial James Webb al Goddard Space Flight Center de la NASA després de sortir del Regne Unit.
Els tècnics de vol de JPL Johnny Melendez (dreta) i Joe Mora inspeccionen el criorefrigerador MIRI abans d'enviar-lo a Northrop Grumman a Redondo Beach, Califòrnia. Allà, el refrigerador està connectat al cos del telescopi Webb.
Aquesta part de l'instrument MIRI, vista al laboratori Appleton de Rutherford, Regne Unit, conté detectors d'infrarojos. El criorefrigerador es troba lluny del detector perquè funciona a una temperatura més alta. Un tub que transporta heli fred connecta les dues seccions.
MIRI (esquerra) s'asseu en una biga d'equilibri a Northrop Grumman a Redondo Beach mentre els enginyers es preparen per utilitzar una grua per connectar-lo al mòdul d'instruments científics integrats (ISIM). L'ISIM és el nucli de Webb, els quatre instruments científics que allotgen el telescopi.
Abans que l'instrument MIRI, un dels quatre instruments científics de l'observatori, pugui funcionar, s'ha de refredar gairebé a la temperatura més freda que pugui assolir la matèria.
El telescopi espacial James Webb de la NASA, que es llançarà el 24 de desembre, és l'observatori espacial més gran de la història, i té una tasca igualment descoratjadora: recollir llum infraroja de racons llunyans de l'univers, permetent als científics investigar l'estructura i els orígens de l'univers. El nostre univers i el nostre lloc en ell.
Molts objectes còsmics, inclosos les estrelles i els planetes, i el gas i la pols dels quals es formen, emeten llum infraroja, de vegades anomenada radiació tèrmica. Però també ho són la majoria dels altres objectes càlids, com ara torradores, humans i aparells electrònics. Això vol dir que els quatre instruments infrarojos de Webb poden detectar la seva pròpia llum infraroja. Per reduir aquestes emissions, l'instrument ha de ser molt fred 33 graus centígrads). Però per funcionar correctament, els detectors de l'instrument d'infraroig mitjà, o MIRI, s'han de refredar: per sota dels 7 Kelvin (menys 448 graus Fahrenheit, o menys 266 graus centígrads).
Això és només uns quants graus per sobre del zero absolut (0 Kelvin), la temperatura més freda teòricament possible, tot i que mai no és accessible físicament perquè representa l'absència total de calor. (No obstant això, MIRI no és l'instrument d'imatge més fred que opera a l'espai).
La temperatura és essencialment una mesura de la rapidesa amb què es mouen els àtoms i, a més de detectar la seva pròpia llum infraroja, els detectors Webb es poden activar per les seves pròpies vibracions tèrmiques. El MIRI detecta la llum en un rang d'energia més baix que els altres tres instruments. Com a resultat, els seus detectors són més sensibles a les vibracions tèrmiques.
Després del llançament, Webb desplegarà una visera de la mida d'una pista de tennis que protegeix MIRI i altres instruments de la calor del sol, permetent-los refredar-se de manera passiva. A partir d'uns 77 dies després del llançament, el refrigerador criològic de MIRI trigarà 19 dies a reduir la temperatura dels detectors de l'instrument per sota dels 7 Kelvin.
"És relativament fàcil refredar les coses fins a aquesta temperatura a la Terra, sovint per a aplicacions científiques o industrials", va dir Konstantin Penanen, expert en refrigeració criogènica del Jet Propulsion Laboratory de la NASA al sud de Califòrnia., que gestiona l'instrument MIRI per a la NASA. "Però aquests sistemes basats en la Terra són molt voluminosos i energèticament ineficients.Per a un observatori espacial, necessitem una nevera que sigui físicament compacta, eficient energèticament i ha de ser altament fiable perquè no podem sortir a arreglar-la.Per tant, aquests són els reptes als quals ens enfrontem., en aquest sentit, diria que els criorefrigeradors MIRI estan definitivament al capdavant".
Un dels objectius científics de Webb és estudiar les propietats de les primeres estrelles que es van formar a l'univers. La càmera d'infrarojos propers o l'instrument NIRCam de Webb serà capaç de detectar aquests objectes extremadament llunyans, i MIRI ajudarà els científics a confirmar que aquestes tènues fonts de llum són cúmuls d'estrelles de primera generació, en lloc d'estrelles de segona generació que es van formar més tard en una galàxia.
Mirant núvols de pols que són més gruixuts que els instruments d'infraroig proper, MIRI revelarà els llocs de naixement de les estrelles. També detectarà molècules que es troben habitualment a la Terra, com ara aigua, diòxid de carboni i metà, així com molècules de minerals rocosos com els silicats, en els ambients freds al voltant de les estrelles properes, on es poden formar planetes. ells com el gel.
"En combinar l'experiència nord-americana i europea, hem desenvolupat MIRI com el poder de Webb, que permetrà als astrònoms de tot el món respondre a grans preguntes sobre com es formen i evolucionen les estrelles, els planetes i les galàxies", va dir Gillian Wright, co-líder de l'equip científic MIRI i investigador principal europeu de l'instrument al Centre de Tecnologia Astronòmica del Regne Unit (ATC).
El criorefrigerador MIRI utilitza gas heli —suficient per omplir uns nou globus de festa— per allunyar la calor dels detectors de l'instrument. Dos compressors elèctrics bombegen heli a través d'un tub que s'estén fins on es troba el detector. El tub discorre per un bloc de metall que també està connectat al detector;l'heli refrigerat absorbeix l'excés de calor del bloc, mantenint la temperatura de funcionament del detector per sota dels 7 Kelvin. El gas escalfat (però encara fred) torna després al compressor, on expulsa l'excés de calor i el cicle comença de nou. Fonamentalment, el sistema és similar al que s'utilitza en les neveres i aparells d'aire condicionat domèstics.
Les canonades que transporten heli estan fetes d'acer inoxidable daurat i tenen menys d'una desena part de polzada (2,5 mm) de diàmetre. S'estén uns 30 peus (10 metres) des del compressor situat a l'àrea del bus de la nau espacial fins al detector MIRI de l'element del telescopi òptic situat darrere de l'observatori de bresca de l'observatori anomenada zones primàries de bresca de l'observatori, anomenades àrees primàries de bresca de l'observatori. Llançat per al llançament, el DTA es comprimeix, una mica com un pistó, per ajudar a instal·lar l'observatori estibat a la protecció a la part superior del coet. Un cop a l'espai, la torre s'estendrà per separar l'autobús de la nau espacial a temperatura ambient dels instruments del telescopi òptic més fred i permetre que el parasol i el telescopi es desplegaran completament.
Aquesta animació mostra l'execució ideal del desplegament del telescopi espacial James Webb hores i dies després del llançament. L'ampliació del conjunt de la torre desplegable central augmentarà la distància entre les dues parts del MIRI. Estan connectades per tubs helicoïdals amb heli refrigerat.
Però el procés d'allargament requereix que el tub d'heli s'ampliï amb el conjunt de la torre expandible. Així, el tub s'enrotlla com una molla, per això els enginyers de MIRI van batejar aquesta part del tub "Slinky".
"Hi ha alguns reptes a l'hora de treballar en un sistema que abasta diverses regions de l'observatori", va dir Analyn Schneider, directora del programa JPL MIRI."Aquestes regions diferents estan dirigides per diferents organitzacions o centres, inclosos Northrop Grumman i el Goddard Space Flight Center de la NASA dels EUA, hem de parlar amb tothom.No hi ha cap altre maquinari al telescopi que ho necessiti, per la qual cosa és un repte exclusiu de MIRI.Sens dubte, ha estat una llarga línia per a la carretera dels criocoolers MIRI i estem preparats per veure-ho a l'espai".
El telescopi espacial James Webb es llançarà el 2021 com el primer observatori de ciències espacials del món. Webb desvetllarà els misteris del nostre sistema solar, mirarà mons llunyans al voltant d'altres estrelles i explorarà les misterioses estructures i orígens del nostre univers i el nostre lloc. Webb és una iniciativa internacional liderada per la NASA i els seus socis l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca.
MIRI es va desenvolupar a través d'una associació 50-50 entre la NASA i l'ESA (Agència Espacial Europea). JPL lidera l'esforç nord-americà per a MIRI, i un consorci multinacional d'instituts astronòmics europeus contribueix a l'ESA. George Rieke, de la Universitat d'Arizona, és el líder de l'equip científic de MIRI als Estats Units. Gillian Wright és el cap de l'equip científic europeu de MIRI.
Alistair Glasse, d'ATC, Regne Unit, és científic d'instruments MIRI i Michael Ressler és científic de projectes dels EUA a JPL. Laszlo Tamas, de l'ATC del Regne Unit, gestiona la Unió Europea. El desenvolupament del criorefrigerador MIRI va ser dirigit i gestionat per JPL en col·laboració amb el Goddard Space Flight Center de la NASA a Greenbelt, Maryland, i Northrop Grumman, Califòrnia a Redondo.