Inženýři po odletu z Velké Británie provedli „převzetí“ středního infračerveného přístroje vesmírného teleskopu Jamese Webba v Goddardově vesmírném letovém centru NASA.
Letoví technici JPL Johnny Melendez (vpravo) a Joe Mora kontrolují kryochladič MIRI před jeho odesláním do Northrop Grumman v Redondo Beach v Kalifornii. Tam je chladič připojen k tělu teleskopu Webb.
Tato část přístroje MIRI, k vidění v Appleton Laboratory v Rutherfordu, Spojené království, obsahuje infračervené detektory. Kryochladič je umístěn daleko od detektoru, protože pracuje při vyšší teplotě. Obě sekce spojuje trubice nesoucí studené helium.
MIRI (vlevo) sedí na kladině v Northrop Grumman v Redondo Beach, zatímco inženýři se připravují na použití mostového jeřábu k připojení k modulu integrovaného vědeckého přístroje (ISIM). ISIM je Webbovo jádro, čtyři vědecké přístroje, ve kterých je umístěn dalekohled.
Než může přístroj MIRI – jeden ze čtyř vědeckých přístrojů na observatoři – fungovat, musí být ochlazen na téměř nejnižší teplotu, jaké hmota může dosáhnout.
Vesmírný teleskop Jamese Webba od NASA, jehož start je naplánován na 24. prosince, je největší vesmírnou observatoří v historii a má neméně náročný úkol: sbírat infračervené světlo z odlehlých koutů vesmíru, což umožňuje vědcům zkoumat strukturu a původ vesmíru .Náš vesmír a naše místo v něm.
Mnoho kosmických objektů – včetně hvězd a planet a plynu a prachu, ze kterého se tvoří – vyzařuje infračervené světlo, někdy nazývané tepelné záření. Ale stejně tak většina ostatních teplých objektů, jako jsou topinkovače, lidé a elektronika. To znamená, že Webbovy čtyři infračervené přístroje dokážou detekovat své vlastní infračervené světlo. Pro snížení těchto emisí musí být přístroj velmi studený – asi 40 Kelvinů nebo mínus 3 stupňů Celsia, 38 stupňů Celsia, 388 stupňů Celsia. uvnitř středního infračerveného přístroje, neboli MIRI, se musí ochladit: pod 7 Kelvinů (minus 448 stupňů Fahrenheita nebo minus 266 stupňů Celsia).
To je jen několik stupňů nad absolutní nulou (0 Kelvinů) – nejchladnější teoreticky možná teplota, i když není nikdy fyzicky dosažitelná, protože představuje úplnou nepřítomnost jakéhokoli tepla. (Nicméně MIRI není nejchladnější zobrazovací přístroj pracující ve vesmíru.)
Teplota je v podstatě měřítkem toho, jak rychle se atomy pohybují, a kromě detekce vlastního infračerveného světla mohou být Webb detektory spouštěny svými vlastními tepelnými vibracemi. MIRI detekuje světlo v nižším energetickém rozsahu než ostatní tři přístroje. Výsledkem je, že jeho detektory jsou citlivější na tepelné vibrace. Tyto nežádoucí signály astronomové nazývají „šum“ a mohou se pokoušet Webb přehlušit.
Po startu Webb nasadí hledí o velikosti tenisového kurtu, které chrání MIRI a další nástroje před slunečním žárem a umožňuje jim pasivně chladit. Počínaje asi 77 dny po startu bude kryochladiči MIRI trvat 19 dní, než sníží teplotu detektorů nástroje pod 7 Kelvinů.
"Je relativně snadné ochladit věci na tuto teplotu na Zemi, často pro vědecké nebo průmyslové aplikace," řekl Konstantin Penanen, expert na kryochladiče z NASA's Jet Propulsion Laboratory v jižní Kalifornii., která spravuje přístroj MIRI pro NASA.“ Ale tyto pozemské systémy jsou velmi objemné a energeticky neefektivní.Pro vesmírnou observatoř potřebujeme chladič, který je fyzicky kompaktní, energeticky účinný a musí být vysoce spolehlivý, protože nemůžeme jít ven a opravit ho.To jsou tedy výzvy, kterým čelíme., v tomto ohledu bych řekl, že kryochladiče MIRI jsou rozhodně v popředí.
Jedním z Webbových vědeckých cílů je studovat vlastnosti prvních hvězd, které se zformovaly ve vesmíru. Webbova blízká infračervená kamera nebo přístroj NIRCam bude schopen detekovat tyto extrémně vzdálené objekty a MIRI pomůže vědcům potvrdit, že tyto slabé zdroje světla jsou shluky hvězd první generace, spíše než hvězdy druhé generace, které se zformovaly později během vývoje galaxií.
Při pohledu na prachová mračna, která jsou tlustší než blízké infračervené přístroje, odhalí MIRI místa zrodu hvězd. Detekuje také molekuly běžně se vyskytující na Zemi – jako je voda, oxid uhličitý a metan, stejně jako molekuly kamenných minerálů, jako jsou silikáty – v chladném prostředí kolem blízkých hvězd, kde se mohou tvořit planety. Blízké infračervené přístroje je dokážou lépe detekovat v prostředí shluků jako MIRI.
„Kombinací amerických a evropských odborných znalostí jsme vyvinuli MIRI jako sílu Webb, která umožní astronomům z celého světa odpovídat na velké otázky o tom, jak se hvězdy, planety a galaxie formují a vyvíjejí,“ řekla Gillian Wright, spoluvedoucí vědeckého týmu MIRI a hlavní evropský výzkumný pracovník pro přístroj v UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
Kryochladič MIRI používá helium – dostatečné množství k naplnění asi devíti balónků pro párty – k odvádění tepla pryč z detektorů přístroje. Dva elektrické kompresory pumpují helium trubicí, která sahá až k místu, kde je umístěn detektor. Trubka prochází kovovým blokem, který je také připojen k detektoru;ochlazené helium absorbuje přebytečné teplo z bloku, čímž udržuje provozní teplotu detektoru pod 7 Kelvinů. Ohřátý (ale stále studený) plyn se poté vrací do kompresoru, odkud přebytečné teplo vypudí a cyklus začíná znovu. V zásadě je systém podobný systému používanému v domácích ledničkách a klimatizacích.
Trubky, které nesou helium, jsou vyrobeny z pozlacené nerezové oceli a mají průměr menší než jednu desetinu palce (2,5 mm). Sahá asi 30 stop (10 metrů) od kompresoru umístěného v oblasti sběrnice kosmické lodi k detektoru MIRI v prvku optického dalekohledu umístěném za voštinovým primárním zrcadlem observatoře. Hardware se nazývá DTA, rozmístitelná sestava bitů, DTA jako píst, aby pomohl nainstalovat složenou observatoř do ochrany na vrcholu rakety. Jakmile bude ve vesmíru, věž se vysune, aby oddělila sběrnici kosmické lodi při pokojové teplotě od chladnějších přístrojů optického teleskopu a umožnila sluneční clonu a dalekohled plně se rozvinout.
Tato animace ukazuje ideální provedení nasazení vesmírného dalekohledu Jamese Webba hodiny a dny po startu. Rozšíření sestavy centrální rozmístitelné věže zvětší vzdálenost mezi dvěma částmi MIRI. Jsou spojeny spirálovými trubicemi s chlazeným heliem.
Proces prodlužování však vyžaduje, aby byla héliová trubice prodloužena pomocí roztažitelné věžové sestavy. Takže trubice se svíjí jako pružina, a proto inženýři MIRI přezdívali této části trubice „Slinky“.
„Při práci na systému, který pokrývá více oblastí observatoře, existují určité problémy,“ řekla Analyn Schneider, programová manažerka JPL MIRI."Tyto různé regiony jsou vedeny různými organizacemi nebo centry, včetně Northrop Grumman a Goddard Space Flight Center americké NASA, musíme mluvit s každým."Na dalekohledu není žádný jiný hardware, který by to potřeboval, takže je to výzva jedinečná pro MIRI.Na cestu kryochladičů MIRI to byla rozhodně dlouhá fronta a my jsme připraveni ji vidět ve vesmíru.“
Vesmírný dalekohled Jamese Webba odstartuje v roce 2021 jako přední světová vesmírná vědecká observatoř. Webb odhalí záhady naší sluneční soustavy, podívá se do vzdálených světů kolem jiných hvězd a prozkoumá tajemné struktury a původ našeho vesmíru a našeho místa. Webb je mezinárodní iniciativa vedená NASA a jejími partnery ESA (Evropská vesmírná agentura) a Kanadská vesmírná agentura.
MIRI byl vyvinut na základě partnerství 50-50 mezi NASA a ESA (Evropská vesmírná agentura). JPL vede americké úsilí o MIRI a nadnárodní konsorcium evropských astronomických institutů přispívá k ESA. George Rieke z Arizonské univerzity je vedoucím vědeckého týmu MIRI v USA. Gillian Wright je vedoucí evropského vědeckého týmu MIRI.
Alistair Glasse z ATC, UK je MIRI Instrument Scientist a Michael Ressler je US Project Scientist v JPL. Laszlo Tamas z UK ATC řídí Evropskou unii. Vývoj kryochladiče MIRI vedl a řídil JPL ve spolupráci s Goddard Space Flight Center NASA v Greenbelt, Maryland, a Northrop Grumman, Kalifornie v Redonu.