Inženjeri provode "prihvaćanje" srednjeg infracrvenog instrumenta svemirskog teleskopa James Webb u NASA-inom centru za svemirske letove Goddard nakon odlaska iz Ujedinjenog Kraljevstva.
Tehničari leta JPL-a Johnny Melendez (desno) i Joe Mora pregledavaju kriohladnjak MIRI prije nego što ga pošalju u Northrop Grumman u Redondo Beachu u Kaliforniji. Ondje je hladnjak pričvršćen na tijelo teleskopa Webb.
Ovaj dio instrumenta MIRI, viđen u Laboratoriju Appleton u Rutherfordu, UK, sadrži infracrvene detektore. Kriohladnjak se nalazi dalje od detektora jer radi na višoj temperaturi. Cijev koja prenosi hladni helij povezuje dva dijela.
MIRI (lijevo) sjedi na balansnoj gredi u Northrop Grummanu u Redondo Beachu dok se inženjeri pripremaju upotrijebiti mostnu dizalicu za pričvršćivanje na modul integriranih znanstvenih instrumenata (ISIM). ISIM je Webbova jezgra, četiri znanstvena instrumenta u kojima se nalazi teleskop.
Prije nego što MIRI instrument - jedan od četiri znanstvena instrumenta na zvjezdarnici - može raditi, mora se ohladiti na gotovo najnižu temperaturu koju materija može doseći.
NASA-in svemirski teleskop James Webb, čije je lansiranje planirano za 24. prosinca, najveći je svemirski opservatorij u povijesti i ima jednako zastrašujući zadatak: prikupljanje infracrvene svjetlosti iz dalekih kutova svemira, omogućujući znanstvenicima da ispitaju strukturu i porijeklo svemira. Naš svemir i naše mjesto u njemu.
Mnogi kozmički objekti — uključujući zvijezde i planete te plin i prašinu od kojih nastaju — emitiraju infracrveno svjetlo, koje se ponekad naziva i toplinsko zračenje. Ali isto je i s većinom drugih toplih objekata, poput tostera, ljudi i elektronike. To znači da Webbova četiri infracrvena instrumenta mogu detektirati vlastito infracrveno svjetlo. Da bi se smanjila ova emisija, instrument mora biti vrlo hladan — oko 40 Kelvina ili minus 388 stupnjeva Fahrenheita (min. nas 233 stupnja Celzijusa). Ali da bi ispravno funkcionirali, detektori unutar srednjeg infracrvenog instrumenta, ili MIRI, moraju postati hladniji: ispod 7 Kelvina (minus 448 stupnjeva Fahrenheita ili minus 266 stupnjeva Celzija).
To je samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule (0 Kelvina) – teoretski najhladnija temperatura, iako to nikada nije fizički moguće postići jer predstavlja potpuno odsustvo bilo kakve topline. (Međutim, MIRI nije najhladniji instrument za snimanje koji radi u svemiru.)
Temperatura je u biti mjera brzine kretanja atoma, a osim otkrivanja vlastite infracrvene svjetlosti, Webb detektori mogu se aktivirati vlastitim toplinskim vibracijama. MIRI detektira svjetlost u nižem energetskom rasponu od ostala tri instrumenta. Kao rezultat toga, njegovi su detektori osjetljiviji na toplinske vibracije. Ovi neželjeni signali su ono što astronomi nazivaju "bukom" i oni mogu nadjačati slabe signale koje Webb pokušava otkriti.
Nakon lansiranja, Webb će postaviti vizir veličine teniskog terena koji štiti MIRI i druge instrumente od sunčeve topline, dopuštajući im da se pasivno hlade. Počevši otprilike 77 dana nakon lansiranja, MIRI-jevom krio-hladnjaku trebat će 19 dana da smanji temperaturu detektora instrumenta na ispod 7 Kelvina.
“Relativno je lako ohladiti stvari na tu temperaturu na Zemlji, često za znanstvene ili industrijske primjene,” rekao je Konstantin Penanen, stručnjak za kriohladnjake u NASA-inom Laboratoriju za mlazni pogon u Južnoj Kaliforniji., koji upravlja instrumentom MIRI za NASA-u.”Ali ti sustavi na Zemlji vrlo su glomazni i energetski neučinkoviti.Za svemirski opservatorij potreban nam je hladnjak koji je fizički kompaktan, energetski učinkovit i mora biti vrlo pouzdan jer ne možemo otići van i popraviti ga.Dakle, ovo su izazovi s kojima se suočavamo., u tom smislu, rekao bih da MIRI kriohladnjaci definitivno prednjače.”
Jedan od Webbovih znanstvenih ciljeva je proučavanje svojstava prvih zvijezda koje su se formirale u svemiru. Webbova bliska infracrvena kamera ili instrument NIRCam moći će detektirati te izuzetno udaljene objekte, a MIRI će pomoći znanstvenicima da potvrde da su ti slabi izvori svjetlosti klasteri zvijezda prve generacije, a ne zvijezde druge generacije koje su nastale kasnije u evoluciji galaksije.
Promatrajući oblake prašine koji su gušći od instrumenata bliskog infracrvenog zračenja, MIRI će otkriti mjesta rođenja zvijezda. Također će detektirati molekule koje se uobičajeno nalaze na Zemlji — poput vode, ugljičnog dioksida i metana, kao i molekule kamenih minerala poput silikata — u hladnim okruženjima oko obližnjih zvijezda, gdje se mogu formirati planeti. Instrumenti bliskog infracrvenog zračenja bolji su u otkrivanju tih molekula kao pare u toplijim okruženjima , dok ih MIRI može vidjeti kao led.
"Kombinirajući američku i europsku stručnost, razvili smo MIRI kao snagu Webba, koja će omogućiti astronomima iz cijelog svijeta da odgovore na velika pitanja o tome kako se zvijezde, planeti i galaksije formiraju i razvijaju", rekla je Gillian Wright, suvoditeljica MIRI znanstvenog tima i europski glavni istraživač za instrument u UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
Kriohladnjak MIRI koristi plin helij—dovoljno da napuni otprilike devet balona za zabavu—za odvođenje topline od detektora instrumenta. Dva električna kompresora pumpaju helij kroz cijev koja se proteže do mjesta gdje se nalazi detektor. Cijev prolazi kroz metalni blok koji je također pričvršćen na detektor;ohlađeni helij apsorbira višak topline iz bloka, održavajući radnu temperaturu detektora ispod 7 Kelvina. Zagrijani (ali još uvijek hladni) plin se zatim vraća u kompresor, odakle izbacuje višak topline, i ciklus počinje iznova. U osnovi, sustav je sličan onom koji se koristi u kućanskim hladnjacima i klima uređajima.
Cijevi koje prenose helij izrađene su od pozlaćenog nehrđajućeg čelika i manje su od jedne desetine inča (2,5 mm) u promjeru. Protežu se oko 30 stopa (10 metara) od kompresora koji se nalazi u području sabirnice svemirske letjelice do MIRI detektora u elementu optičkog teleskopa koji se nalazi iza saćastog primarnog zrcala zvjezdarnice. Hardver koji se naziva sklop koji se može razmjestiti, ili DTA, povezuje dva područja. za lansiranje, DTA je komprimiran, pomalo poput klipa, kako bi pomogao instalirati pospremljenu zvjezdarnicu u zaštitu na vrhu rakete. Jednom u svemiru, toranj će se proširiti kako bi odvojio autobus svemirske letjelice na sobnoj temperaturi od instrumenata hladnijeg optičkog teleskopa i omogućio suncobranu i teleskopu da se potpuno razviju.
Ova animacija prikazuje idealnu izvedbu postavljanja svemirskog teleskopa James Webb satima i danima nakon lansiranja. Proširenje središnjeg sklopa tornja koji se može postaviti povećat će udaljenost između dva dijela MIRI-ja. Oni su povezani spiralnim cijevima s ohlađenim helijem.
Ali proces izduživanja zahtijeva da se helijska cijev produži s proširivim sklopom tornja. Tako se cijev namotava poput opruge, zbog čega su inženjeri MIRI-ja ovom dijelu cijevi dali nadimak "Slinky".
"Postoje neki izazovi u radu na sustavu koji obuhvaća više regija zvjezdarnice", rekla je Analyn Schneider, voditeljica programa JPL MIRI.“Ove različite regije vode različite organizacije ili centri, uključujući Northrop Grumman i američki NASA-in Goddard Space Flight Center, moramo razgovarati sa svima.Ne postoji drugi hardver na teleskopu koji to treba učiniti, tako da je to izazov jedinstven za MIRI.Definitivno je bio dug red za cestu MIRI kriohladnjaka i spremni smo to vidjeti u svemiru.”
Svemirski teleskop James Webb lansirat će se 2021. godine kao vodeći svjetski opservatorij za svemirsku znanost. Webb će razotkriti misterije našeg solarnog sustava, pogledati daleke svjetove oko drugih zvijezda i istražiti misteriozne strukture i podrijetlo našeg svemira i našeg mjesta. Webb je međunarodna inicijativa koju vode NASA i njeni partneri ESA (Europska svemirska agencija) i Kanadska svemirska agencija.
MIRI je razvijen kroz partnerstvo 50-50 između NASA-e i ESA-e (Europska svemirska agencija). JPL predvodi američke napore za MIRI, a multinacionalni konzorcij europskih astronomskih instituta pridonosi ESA-i. George Rieke sa Sveučilišta u Arizoni voditelj je američkog znanstvenog tima MIRI-ja. Gillian Wright je voditeljica europskog znanstvenog tima MIRI-ja.
Alistair Glasse iz ATC-a, UK, je MIRI Instrument Scientist, a Michael Ressler je američki projektni znanstvenik u JPL-u. Laszlo Tamas iz UK ATC-a vodi Europsku uniju. Razvoj kriohladnjaka MIRI vodio je i upravljao JPL u suradnji s NASA-inim Centrom za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Maryland, i Northrop Grummanom u Redondo Beachu, Kalifornija.