Los ingenieros realizan una "aceptación" del instrumento de infrarrojo medio del Telescopio Espacial James Webb en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA después de partir del Reino Unido.
Los técnicos de vuelo del JPL, Johnny Meléndez (derecha) y Joe Mora, inspeccionan el enfriador criogénico MIRI antes de enviarlo a Northrop Grumman en Redondo Beach, California. Allí, el enfriador está conectado al cuerpo del telescopio Webb.
Esta parte del instrumento MIRI, visto en el Laboratorio Appleton en Rutherford, Reino Unido, contiene detectores infrarrojos. El enfriador criogénico está ubicado lejos del detector porque opera a una temperatura más alta. Un tubo que transporta helio frío conecta las dos secciones.
MIRI (izquierda) se sienta en una viga de equilibrio en Northrop Grumman en Redondo Beach mientras los ingenieros se preparan para usar una grúa puente para conectarlo al Módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM). El ISIM es el núcleo de Webb, los cuatro instrumentos científicos que albergan el telescopio.
Antes de que el instrumento MIRI, uno de los cuatro instrumentos científicos del observatorio, pueda funcionar, debe enfriarse hasta casi la temperatura más fría que puede alcanzar la materia.
El telescopio espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para el 24 de diciembre, es el observatorio espacial más grande de la historia y tiene una tarea igualmente desalentadora: recolectar luz infrarroja de rincones remotos del universo, lo que permite a los científicos investigar la estructura y los orígenes del universo. Nuestro universo y nuestro lugar en él.
Muchos objetos cósmicos, incluidas las estrellas y los planetas, y el gas y el polvo del que se forman, emiten luz infrarroja, a veces llamada radiación térmica. Pero también lo hacen la mayoría de los otros objetos cálidos, como tostadoras, humanos y dispositivos electrónicos. Eso significa que los cuatro instrumentos infrarrojos de Webb pueden detectar su propia luz infrarroja. instrumento, o MIRI, debe enfriarse: por debajo de 7 Kelvin (menos 448 grados Fahrenheit, o menos 266 grados Celsius).
Eso es solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (0 Kelvin), la temperatura más fría teóricamente posible, aunque nunca se puede alcanzar físicamente porque representa la ausencia total de calor. (Sin embargo, MIRI no es el instrumento de imagen más frío que opera en el espacio).
La temperatura es esencialmente una medida de qué tan rápido se mueven los átomos y, además de detectar su propia luz infrarroja, los detectores Webb pueden activarse mediante sus propias vibraciones térmicas. MIRI detecta luz en un rango de energía más bajo que los otros tres instrumentos. Como resultado, sus detectores son más sensibles a las vibraciones térmicas. Estas señales no deseadas son lo que los astrónomos llaman "ruido" y pueden superar las débiles señales que Webb está tratando de detectar.
Después del lanzamiento, Webb desplegará una visera del tamaño de una cancha de tenis que protege al MIRI y a otros instrumentos del calor del sol, permitiéndoles enfriarse pasivamente. A partir de unos 77 días después del lanzamiento, el enfriador criogénico de MIRI tardará 19 días en reducir la temperatura de los detectores del instrumento a menos de 7 Kelvin.
“Es relativamente fácil enfriar las cosas a esa temperatura en la Tierra, a menudo para aplicaciones científicas o industriales”, dijo Konstantin Penanen, un experto en enfriadores criogénicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California., que administra el instrumento MIRI para la NASA”. Pero esos sistemas basados ​​en la Tierra son muy voluminosos y energéticamente ineficientes.Para un observatorio espacial, necesitamos un enfriador que sea físicamente compacto, energéticamente eficiente y tiene que ser altamente confiable porque no podemos salir y arreglarlo.Así que estos son los desafíos que enfrentamos.En ese sentido, diría que los enfriadores criogénicos MIRI definitivamente están a la vanguardia”.
Uno de los objetivos científicos de Webb es estudiar las propiedades de las primeras estrellas que se formaron en el universo. La cámara de infrarrojo cercano o el instrumento NIRCam de Webb podrán detectar estos objetos extremadamente distantes, y MIRI ayudará a los científicos a confirmar que estas débiles fuentes de luz son cúmulos de estrellas de primera generación, en lugar de estrellas de segunda generación que se formaron más tarde en la evolución de una galaxia.
Al observar las nubes de polvo que son más gruesas que los instrumentos de infrarrojo cercano, MIRI revelará los lugares de nacimiento de las estrellas. También detectará moléculas que se encuentran comúnmente en la Tierra, como agua, dióxido de carbono y metano, así como moléculas de minerales rocosos como silicatos, en los ambientes fríos alrededor de estrellas cercanas, donde se pueden formar planetas. Los instrumentos de infrarrojo cercano son mejores para detectar estas moléculas como vapores en ambientes más cálidos, mientras que MIRI puede verlas como hielo.
"Al combinar la experiencia estadounidense y europea, hemos desarrollado MIRI como el poder de Webb, que permitirá a los astrónomos de todo el mundo responder grandes preguntas sobre cómo se forman y evolucionan las estrellas, los planetas y las galaxias", dijo Gillian Wright, codirectora del equipo científico de MIRI e investigadora principal europea del instrumento en el Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido (UK ATC).
El crioenfriador MIRI utiliza gas helio, suficiente para llenar unos nueve globos de fiesta, para alejar el calor de los detectores del instrumento. Dos compresores eléctricos bombean helio a través de un tubo que se extiende hasta donde se encuentra el detector. El tubo atraviesa un bloque de metal que también está conectado al detector;el helio enfriado absorbe el exceso de calor del bloque, manteniendo la temperatura de funcionamiento del detector por debajo de los 7 Kelvin. El gas calentado (pero aún frío) luego regresa al compresor, donde expulsa el exceso de calor y el ciclo comienza de nuevo. Fundamentalmente, el sistema es similar al que se usa en los refrigeradores y acondicionadores de aire domésticos.
Los conductos que transportan helio están hechos de acero inoxidable chapado en oro y tienen menos de una décima de pulgada (2,5 mm) de diámetro. Se extiende unos 30 pies (10 metros) desde el compresor ubicado en el área del autobús de la nave espacial hasta el detector MIRI en el elemento del telescopio óptico ubicado detrás del espejo principal en forma de panal del observatorio. El hardware llamado ensamblaje de torre desplegable, o DTA, conecta las dos áreas. observatorio guardado en la protección en la parte superior del cohete. Una vez en el espacio, la torre se extenderá para separar el autobús de la nave espacial a temperatura ambiente de los instrumentos más fríos del telescopio óptico y permitir que la sombrilla y el telescopio se desplieguen por completo.
Esta animación muestra la ejecución ideal del despliegue del telescopio espacial James Webb horas y días después del lanzamiento. La expansión del ensamblaje de la torre central desplegable aumentará la distancia entre las dos partes del MIRI. Están conectadas por tubos helicoidales con helio enfriado.
Pero el proceso de elongación requiere que el tubo de helio se extienda con el conjunto de torre expandible. Por lo tanto, el tubo se enrolla como un resorte, razón por la cual los ingenieros de MIRI apodaron a esta parte del tubo "Slinky".
“Hay algunos desafíos al trabajar en un sistema que abarca múltiples regiones del observatorio”, dijo Analyn Schneider, gerente del programa JPL MIRI.“Estas diferentes regiones están dirigidas por diferentes organizaciones o centros, incluidos Northrop Grumman y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA de EE. UU., tenemos que hablar con todos.No hay otro hardware en el telescopio que necesite hacer eso, por lo que es un desafío exclusivo de MIRI.Definitivamente ha sido una larga fila para el camino de los crioenfriadores MIRI, y estamos listos para verlo en el espacio”.
El Telescopio Espacial James Webb se lanzará en 2021 como el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb desentrañará los misterios de nuestro sistema solar, observará mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar. Webb es una iniciativa internacional dirigida por la NASA y sus socios ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
MIRI se desarrolló a través de una asociación 50-50 entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). JPL lidera el esfuerzo de EE. UU. para MIRI, y un consorcio multinacional de institutos astronómicos europeos contribuye a la ESA. George Rieke, de la Universidad de Arizona, es el líder del equipo científico de EE. UU. de MIRI. Gillian Wright es la jefa del equipo científico europeo de MIRI.
Alistair Glasse de ATC, Reino Unido, es científico de instrumentos MIRI y Michael Ressler es científico de proyectos de EE. UU. en el JPL. Laszlo Tamas, del ATC del Reino Unido, está a cargo de la Unión Europea. El JPL dirigió y administró el desarrollo del enfriador criogénico MIRI en colaboración con el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y Northrop Grumman en Redondo Beach, California.