Les ingénieurs procèdent à une "acceptation" de l'instrument infrarouge moyen du télescope spatial James Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA après son départ du Royaume-Uni.
Les techniciens de vol du JPL Johnny Melendez (à droite) et Joe Mora inspectent le refroidisseur cryogénique MIRI avant de l'expédier à Northrop Grumman à Redondo Beach, en Californie. Là, le refroidisseur est fixé au corps du télescope Webb.
Cette partie de l'instrument MIRI, vue au laboratoire Appleton de Rutherford, au Royaume-Uni, contient des détecteurs infrarouges. Le refroidisseur cryogénique est situé à l'écart du détecteur car il fonctionne à une température plus élevée. Un tube transportant de l'hélium froid relie les deux sections.
MIRI (à gauche) est assis sur une poutre d'équilibre à Northrop Grumman à Redondo Beach alors que les ingénieurs se préparent à utiliser un pont roulant pour le fixer au module d'instruments scientifiques intégrés (ISIM). L'ISIM est le cœur de Webb, les quatre instruments scientifiques qui abritent le télescope.
Avant que l'instrument MIRI - l'un des quatre instruments scientifiques de l'observatoire - puisse fonctionner, il doit être refroidi à presque la température la plus froide que la matière puisse atteindre.
Le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu le 24 décembre, est le plus grand observatoire spatial de l'histoire, et il a une tâche tout aussi ardue : collecter la lumière infrarouge des coins les plus reculés de l'univers, permettant aux scientifiques de sonder la structure et les origines de l'univers. Notre univers et notre place dans celui-ci.
De nombreux objets cosmiques, y compris les étoiles et les planètes, ainsi que le gaz et la poussière à partir desquels ils se forment, émettent de la lumière infrarouge, parfois appelée rayonnement thermique. Mais la plupart des autres objets chauds, comme les grille-pain, les humains et les appareils électroniques, le sont aussi. Cela signifie que les quatre instruments infrarouges de Webb peuvent détecter leur propre lumière infrarouge. instrument frared, ou MIRI, doit devenir plus froid : en dessous de 7 Kelvin (moins 448 degrés Fahrenheit, ou moins 266 degrés Celsius).
C'est juste quelques degrés au-dessus du zéro absolu (0 Kelvin) - la température la plus froide théoriquement possible, bien qu'elle ne soit jamais physiquement accessible car elle représente l'absence totale de chaleur. (Cependant, MIRI n'est pas l'instrument d'imagerie le plus froid fonctionnant dans l'espace.)
La température est essentiellement une mesure de la vitesse à laquelle les atomes se déplacent, et en plus de détecter leur propre lumière infrarouge, les détecteurs Webb peuvent être déclenchés par leurs propres vibrations thermiques. MIRI détecte la lumière dans une plage d'énergie inférieure à celle des trois autres instruments. En conséquence, ses détecteurs sont plus sensibles aux vibrations thermiques. Ces signaux indésirables sont ce que les astronomes appellent du « bruit », et ils peuvent submerger les faibles signaux que Webb essaie de détecter.
Après le lancement, Webb déploiera une visière de la taille d'un court de tennis qui protège MIRI et d'autres instruments de la chaleur du soleil, leur permettant de se refroidir passivement. À partir d'environ 77 jours après le lancement, le cryorefroidisseur de MIRI prendra 19 jours pour réduire la température des détecteurs de l'instrument à moins de 7 Kelvin.
"Il est relativement facile de refroidir des choses à cette température sur Terre, souvent pour des applications scientifiques ou industrielles", a déclaré Konstantin Penanen, un expert en cryorefroidissement au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud., qui gère l'instrument MIRI pour la NASA. "Mais ces systèmes terrestres sont très volumineux et peu économes en énergie.Pour un observatoire spatial, nous avons besoin d'un refroidisseur physiquement compact, économe en énergie et extrêmement fiable car nous ne pouvons pas aller le réparer.Voilà donc les défis auxquels nous sommes confrontés., à cet égard, je dirais que les refroidisseurs cryogéniques MIRI sont définitivement à l'avant-garde.
L'un des objectifs scientifiques de Webb est d'étudier les propriétés des premières étoiles qui se sont formées dans l'univers. La caméra proche infrarouge ou l'instrument NIRCam de Webb sera capable de détecter ces objets extrêmement éloignés, et MIRI aidera les scientifiques à confirmer que ces faibles sources de lumière sont des amas d'étoiles de première génération, plutôt que des étoiles de deuxième génération qui se sont formées plus tard dans une évolution de galaxie.
En examinant les nuages ​​de poussière plus épais que les instruments proches de l'infrarouge, MIRI révélera les lieux de naissance des étoiles. Il détectera également les molécules que l'on trouve couramment sur Terre - telles que l'eau, le dioxyde de carbone et le méthane, ainsi que les molécules de minéraux rocheux tels que les silicates - dans les environnements frais autour des étoiles proches, où les planètes peuvent se former. Les instruments proches de l'infrarouge détectent mieux ces molécules sous forme de vapeurs dans des environnements plus chauds, tandis que MIRI peut les voir sous forme de glace.
"En combinant l'expertise américaine et européenne, nous avons développé MIRI en tant que puissance de Webb, qui permettra aux astronomes du monde entier de répondre à de grandes questions sur la façon dont les étoiles, les planètes et les galaxies se forment et évoluent", a déclaré Gillian Wright, co-responsable de l'équipe scientifique MIRI et chercheuse principale européenne pour l'instrument au UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
Le refroidisseur cryogénique MIRI utilise de l'hélium gazeux - suffisamment pour remplir environ neuf ballons de fête - pour évacuer la chaleur des détecteurs de l'instrument. Deux compresseurs électriques pompent l'hélium à travers un tube qui s'étend jusqu'à l'endroit où se trouve le détecteur. Le tube traverse un bloc de métal qui est également attaché au détecteur ;l'hélium refroidi absorbe l'excès de chaleur du bloc, maintenant la température de fonctionnement du détecteur en dessous de 7 Kelvin. Le gaz chauffé (mais toujours froid) retourne ensuite au compresseur, où il expulse l'excès de chaleur, et le cycle recommence. Fondamentalement, le système est similaire à celui utilisé dans les réfrigérateurs et les climatiseurs domestiques.
Les tuyaux qui transportent l'hélium sont en acier inoxydable plaqué or et mesurent moins d'un dixième de pouce (2,5 mm) de diamètre. Ils s'étendent sur environ 30 pieds (10 mètres) du compresseur situé dans la zone du bus de l'engin spatial au détecteur MIRI dans l'élément de télescope optique situé derrière le miroir principal en nid d'abeille de l'observatoire. Un matériel appelé tour déployable, ou DTA, relie les deux zones. observatoire rangé dans la protection au-dessus de la fusée. Une fois dans l'espace, la tour s'étendra pour séparer le bus du vaisseau spatial à température ambiante des instruments du télescope optique plus frais et permettre au pare-soleil et au télescope de se déployer complètement.
Cette animation montre l'exécution idéale du déploiement du télescope spatial James Webb des heures et des jours après le lancement. L'agrandissement de l'ensemble central de la tour déployable augmentera la distance entre les deux parties du MIRI. Elles sont reliées par des tubes hélicoïdaux à hélium refroidi.
Mais le processus d'allongement nécessite que le tube d'hélium soit allongé avec l'ensemble de tour extensible. Ainsi, le tube s'enroule comme un ressort, c'est pourquoi les ingénieurs de MIRI ont surnommé cette partie du tube "Slinky".
« Travailler sur un système qui s'étend sur plusieurs régions de l'observatoire présente certains défis », a déclaré Analyn Schneider, responsable du programme JPL MIRI.« Ces différentes régions sont dirigées par différentes organisations ou centres, dont Northrop Grumman et le Goddard Space Flight Center de la NASA américaine, nous devons parler à tout le monde.Il n'y a aucun autre matériel sur le télescope qui doit faire cela, c'est donc un défi unique à MIRI.Cela a certainement été une longue file d'attente pour la route des refroidisseurs cryogéniques MIRI, et nous sommes prêts à le voir dans l'espace.
Le télescope spatial James Webb sera lancé en 2021 en tant que premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb percera les mystères de notre système solaire, se penchera sur des mondes lointains autour d'autres étoiles et explorera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre lieu. Webb est une initiative internationale dirigée par la NASA et ses partenaires l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
MIRI a été développé grâce à un partenariat 50-50 entre la NASA et l'ESA (Agence spatiale européenne). Le JPL dirige l'effort américain pour MIRI, et un consortium multinational d'instituts astronomiques européens contribue à l'ESA. George Rieke de l'Université de l'Arizona est le chef de l'équipe scientifique américaine de MIRI.
Alistair Glasse de l'ATC, au Royaume-Uni, est le scientifique des instruments MIRI et Michael Ressler est le scientifique américain du projet au JPL. Laszlo Tamas de l'ATC du Royaume-Uni dirige l'Union européenne. Le développement du refroidisseur cryogénique MIRI a été dirigé et géré par le JPL en collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et Northrop Grumman à Redondo Beach, Californie.