Ingeniører udfører en "accept" af James Webb-rumteleskopets melleminfrarøde instrument på NASAs Goddard Space Flight Center efter afgang fra Storbritannien.
JPL-flyteknikerne Johnny Melendez (til højre) og Joe Mora inspicerer MIRI-kryokøleren, før den afsendes til Northrop Grumman i Redondo Beach, Californien. Der er køleren fastgjort til kroppen af ​​Webb-teleskopet.
Denne del af MIRI-instrumentet, set på Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannien, indeholder infrarøde detektorer. Kryokøleren er placeret væk fra detektoren, fordi den fungerer ved en højere temperatur. Et rør med koldt helium forbinder de to sektioner.
MIRI (til venstre) sidder på en balancebjælke ved Northrop Grumman i Redondo Beach, mens ingeniører forbereder sig på at bruge en traverskran til at fastgøre den til det integrerede videnskabelige instrumentmodul (ISIM). ISIM er Webbs kerne, de fire videnskabelige instrumenter, der huser teleskopet.
Før MIRI-instrumentet - et af de fire videnskabelige instrumenter på observatoriet - kan fungere, skal det afkøles til næsten den koldeste temperatur, som stof kan nå.
NASAs James Webb-rumteleskop, der er planlagt til at blive opsendt den 24. december, er det største rumobservatorium i historien, og det har en lige så skræmmende opgave: at indsamle infrarødt lys fra fjerntliggende hjørner af universet, hvilket gør det muligt for videnskabsmænd at undersøge universets struktur og oprindelse. Vores univers og vores plads i det.
Mange kosmiske objekter - inklusive stjerner og planeter, og den gas og støv, som de dannes af - udsender infrarødt lys, nogle gange kaldet termisk stråling. Men det er de fleste andre varme objekter, såsom brødristere, mennesker og elektronik også. Det betyder, at Webbs fire infrarøde instrumenter kan registrere deres eget infrarøde lys. For at reducere disse emissioner skal instrumentet være min. 80 grader koldt. (minus 233 grader Celsius). Men for at fungere korrekt skal detektorerne inde i det midt-infrarøde instrument, eller MIRI, blive koldere: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit eller minus 266 grader Celsius).
Det er kun et par grader over det absolutte nulpunkt (0 Kelvin) – den koldeste temperatur, der er teoretisk mulig, selvom den aldrig er fysisk tilgængelig, fordi den repræsenterer fuldstændigt fravær af varme.(Men MIRI er ikke det koldeste billedinstrument, der opererer i rummet).
Temperaturen er i bund og grund et mål for, hvor hurtigt atomer bevæger sig, og udover at detektere deres eget infrarøde lys, kan Webb-detektorer udløses af deres egne termiske vibrationer. MIRI detekterer lys i et lavere energiområde end de tre andre instrumenter. Som et resultat er dets detektorer mere følsomme over for termiske vibrationer. Disse uønskede signaler er, hvad web-astronome signaler, og de kan kalde, at overvælde, opdage.
Efter lanceringen vil Webb indsætte et visir på størrelse med en tennisbane, der skærmer MIRI og andre instrumenter mod solens varme, så de kan køle passivt. Fra omkring 77 dage efter lanceringen vil MIRIs kryokøler tage 19 dage om at reducere temperaturen på instrumentets detektorer til under 7 Kelvin.
"Det er relativt nemt at køle ting ned til den temperatur på Jorden, ofte til videnskabelige eller industrielle anvendelser," sagde Konstantin Penanen, en kryokølerekspert ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien., som administrerer MIRI-instrumentet for NASA.” Men de jordbaserede systemer er meget omfangsrige og energiineffektive.Til et rumobservatorium har vi brug for en køler, der er fysisk kompakt, energieffektiv, og den skal være yderst pålidelig, fordi vi ikke kan gå ud og reparere den.Så det er de udfordringer, vi står over for., i den henseende vil jeg sige, at MIRI kryokølere absolut er i front."
Et af Webbs videnskabelige mål er at studere egenskaberne af de første stjerner, der blev dannet i universet. Webbs nær-infrarøde kamera eller NIRCam-instrument vil være i stand til at detektere disse ekstremt fjerne objekter, og MIRI vil hjælpe videnskabsmænd med at bekræfte, at disse svage lyskilder er klynger af førstegenerationsstjerner, snarere end andengenerationsstjerner i en senere generation af involution.
Ved at se på støvskyer, der er tykkere end nær-infrarøde instrumenter, vil MIRI afsløre stjernernes fødesteder. Det vil også detektere molekyler, der almindeligvis findes på Jorden - såsom vand, kuldioxid og metan, samt molekyler af stenagtige mineraler såsom silikater - i de kølige omgivelser omkring nærliggende stjerner, hvor planeter kan dannes bedre ved at detektere molekyler i de varmere infra-instrumenter. , mens MIRI kan se dem som is.
"Ved at kombinere amerikansk og europæisk ekspertise har vi udviklet MIRI som kraften i Webb, som vil gøre det muligt for astronomer fra hele verden at besvare store spørgsmål om, hvordan stjerner, planeter og galakser dannes og udvikler sig," sagde Gillian Wright, Co-lead for MIRI videnskabsteamet og europæisk hovedforsker for instrumentet ved UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
MIRI kryokøleren bruger heliumgas – nok til at fylde omkring ni partyballoner – til at transportere varme væk fra instrumentets detektorer.To elektriske kompressorer pumper helium gennem et rør, der strækker sig til det sted, hvor detektoren er placeret. Røret løber gennem en metalblok, der også er fastgjort til detektoren;det afkølede helium absorberer overskydende varme fra blokken og holder detektorens driftstemperatur under 7 Kelvin.Den opvarmede (men stadig kolde) gas vender derefter tilbage til kompressoren, hvor den udleder overskudsvarmen, og cyklussen begynder igen. Grundlæggende ligner systemet det, der bruges i husholdningskøleskabe og klimaanlæg.
Rørene, der bærer helium, er lavet af forgyldt rustfrit stål og er mindre end en tiendedel tomme (2,5 mm) i diameter. Det strækker sig omkring 30 fod (10 meter) fra kompressoren placeret i rumfartøjets busområde til MIRI-detektoren i det optiske teleskopelement, der er placeret bag observatoriets honeycomb-baserede spejl, eller to deployable områder, der kan samles, DTA, der kan samles til. lancering, komprimeres DTA, lidt som et stempel, for at hjælpe med at installere det stuvede observatorium i beskyttelsen oven på raketten. Når det først er i rummet, vil tårnet udvide sig for at adskille rumtemperatur-rumfartøjets bus fra de køligere optiske teleskopinstrumenter og tillade solskærmen og teleskopet at blive fuldt udfoldet.
Denne animation viser den ideelle udførelse af James Webb Space Telescope-indsættelsen timer og dage efter opsendelsen. Udvidelsen af ​​den centrale deployerbare tårnkonstruktion vil øge afstanden mellem de to dele af MIRI. De er forbundet med spiralformede rør med afkølet helium.
Men forlængelsesprocessen kræver, at heliumrøret forlænges med den udvidelige tårnkonstruktion. Så røret spoler sig som en fjeder, hvorfor MIRI-ingeniørerne gav denne del af røret tilnavnet "Slinky".
"Der er nogle udfordringer ved at arbejde på et system, der spænder over flere regioner i observatoriet," sagde Analyn Schneider, JPL MIRI-programleder."Disse forskellige regioner ledes af forskellige organisationer eller centre, inklusive Northrop Grumman og den amerikanske NASAs Goddard Space Flight Center, vi er nødt til at tale med alle.Der er ingen anden hardware på teleskopet, der skal gøre det, så det er en udfordring, der er unik for MIRI.Det har bestemt været en lang række for MIRI cryocoolers road, og vi er klar til at se det i rummet."
James Webb Space Telescope vil blive opsendt i 2021 som verdens førende rumvidenskabelige observatorium. Webb vil opklare mysterierne i vores solsystem, se til fjerne verdener omkring andre stjerner og udforske de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores sted. Webb er et internationalt initiativ ledet af NASA og dets partnere ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.
MIRI blev udviklet gennem et 50-50 partnerskab mellem NASA og ESA (European Space Agency).JPL leder den amerikanske indsats for MIRI, og et multinationalt konsortium af europæiske astronomiske institutter bidrager til ESA.George Rieke fra University of Arizona er MIRIs amerikanske videnskabsteamleder.Gillian Wright er leder af MIRIcientifics europæiske institut.
Alistair Glasse fra ATC, UK er MIRI Instrument Scientist og Michael Ressler er US Project Scientist ved JPL. Laszlo Tamas fra UK ATC er ansvarlig for EU. Udviklingen af ​​MIRI kryokøleren blev ledet og styret af JPL i samarbejde med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og Northrop Grumman, Californien.