Insinyur melakukan "penerimaan" instrumen mid-infrared James Webb Space Telescope di Goddard Space Flight Center NASA setelah berangkat dari Inggris.
Teknisi penerbangan JPL Johnny Melendez (kanan) dan Joe Mora memeriksa cryocooler MIRI sebelum mengirimkannya ke Northrop Grumman di Pantai Redondo, California. Di sana, pendingin terpasang di badan teleskop Webb.
Bagian dari instrumen MIRI ini, terlihat di Laboratorium Appleton di Rutherford, Inggris, berisi detektor inframerah. Cryocooler terletak jauh dari detektor karena beroperasi pada suhu yang lebih tinggi. Sebuah tabung yang membawa helium dingin menghubungkan kedua bagian tersebut.
MIRI (kiri) duduk di balok keseimbangan di Northrop Grumman di Pantai Redondo saat para insinyur bersiap untuk menggunakan derek di atas kepala untuk memasangnya ke Modul Instrumen Ilmiah Terpadu (ISIM). ISIM adalah inti Webb, empat instrumen sains yang menampung teleskop.
Sebelum instrumen MIRI - salah satu dari empat instrumen sains di observatorium - dapat beroperasi, ia harus didinginkan hingga mendekati suhu terdingin yang dapat dicapai oleh materi.
Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada 24 Desember, adalah observatorium ruang angkasa terbesar dalam sejarah, dan memiliki tugas yang sama beratnya: mengumpulkan cahaya inframerah dari sudut-sudut terjauh alam semesta, memungkinkan para ilmuwan menyelidiki struktur dan asal-usul alam semesta. Alam semesta kita dan tempat kita di dalamnya.
Banyak objek kosmik — termasuk bintang dan planet, serta gas dan debu dari mana mereka terbentuk — memancarkan cahaya inframerah, terkadang disebut radiasi termal. Begitu pula sebagian besar objek hangat lainnya, seperti pemanggang roti, manusia, dan elektronik. Artinya, empat instrumen inframerah Webb dapat mendeteksi cahaya inframerahnya sendiri. Untuk mengurangi emisi ini, instrumen harus sangat dingin—sekitar 40 Kelvin, atau minus 388 derajat Fahrenheit (minus 233 derajat Celcius). Namun agar berfungsi dengan baik, detektor di dalam instrumen inframerah tengah, atau MIRI, harus lebih dingin: di bawah 7 Kelvin (minus 448 derajat Fahrenheit, atau minus 266 derajat Celcius).
Itu hanya beberapa derajat di atas nol mutlak (0 Kelvin) – suhu terdingin yang secara teori dimungkinkan, meskipun secara fisik tidak pernah dapat dicapai karena mewakili tidak adanya panas sama sekali. (Namun, MIRI bukanlah instrumen pencitraan terdingin yang beroperasi di luar angkasa.)
Suhu pada dasarnya adalah ukuran seberapa cepat atom bergerak, dan selain mendeteksi cahaya inframerah mereka sendiri, detektor Webb dapat dipicu oleh getaran termal mereka sendiri. MIRI mendeteksi cahaya dalam rentang energi yang lebih rendah daripada tiga instrumen lainnya. Akibatnya, detektornya lebih sensitif terhadap getaran termal. Sinyal yang tidak diinginkan inilah yang oleh para astronom disebut "kebisingan", dan mereka dapat membanjiri sinyal redup yang coba dideteksi Webb.
Setelah diluncurkan, Webb akan memasang pelindung seukuran lapangan tenis yang melindungi MIRI dan instrumen lain dari panas matahari, memungkinkannya mendingin secara pasif. Mulai sekitar 77 hari setelah peluncuran, cryocooler MIRI akan membutuhkan waktu 19 hari untuk menurunkan suhu detektor instrumen hingga di bawah 7 Kelvin.
“Relatif mudah untuk mendinginkan benda-benda ke suhu di Bumi, seringkali untuk aplikasi ilmiah atau industri,” kata Konstantin Penanen, pakar cryocooler di Jet Propulsion Laboratory NASA di California Selatan., yang mengelola instrumen MIRI untuk NASA.”Tetapi sistem berbasis Bumi tersebut sangat besar dan tidak efisien energi.Untuk observatorium luar angkasa, kami memerlukan pendingin yang secara fisik kompak, hemat energi, dan harus sangat andal karena kami tidak dapat keluar dan memperbaikinya.Jadi inilah tantangan yang kita hadapi., dalam hal itu, menurut saya cryocooler MIRI adalah yang terdepan.”
Salah satu tujuan ilmiah Webb adalah mempelajari sifat-sifat bintang pertama yang terbentuk di alam semesta. Kamera inframerah-dekat Webb atau instrumen NIRCam akan dapat mendeteksi objek yang sangat jauh ini, dan MIRI akan membantu para ilmuwan memastikan bahwa sumber cahaya redup ini adalah gugusan bintang generasi pertama, bukan bintang generasi kedua yang terbentuk kemudian dalam evolusi galaksi.
Dengan melihat awan debu yang lebih tebal daripada instrumen inframerah-dekat, MIRI akan mengungkap tempat kelahiran bintang. Ia juga akan mendeteksi molekul yang biasa ditemukan di Bumi — seperti air, karbon dioksida, dan metana, serta molekul mineral berbatu seperti silikat — di lingkungan dingin di sekitar bintang terdekat, tempat planet dapat terbentuk. Instrumen inframerah dekat lebih baik dalam mendeteksi molekul ini sebagai uap di lingkungan yang lebih panas, sedangkan MIRI dapat melihatnya sebagai es.
“Dengan menggabungkan keahlian AS dan Eropa, kami telah mengembangkan MIRI sebagai kekuatan Webb, yang akan memungkinkan para astronom dari seluruh dunia untuk menjawab pertanyaan besar tentang bagaimana bintang, planet, dan galaksi terbentuk dan berevolusi,” kata Gillian Wright, Co-lead tim sains MIRI dan Penyelidik Utama Eropa untuk instrumen di Pusat Teknologi Astronomi Inggris (UK ATC).
Cryocooler MIRI menggunakan gas helium—cukup untuk mengisi sekitar sembilan balon pesta—untuk membuang panas dari detektor instrumen. Dua kompresor listrik memompa helium melalui tabung yang memanjang ke tempat detektor berada. Tabung mengalir melalui balok logam yang juga dipasang ke detektor;helium yang didinginkan menyerap kelebihan panas dari blok, menjaga suhu operasi detektor di bawah 7 Kelvin. Gas yang dipanaskan (namun masih dingin) kemudian kembali ke kompresor, di mana ia mengeluarkan panas berlebih, dan siklus dimulai lagi. Pada dasarnya, sistem ini serupa dengan yang digunakan di lemari es dan AC rumah tangga.
Pipa yang membawa helium terbuat dari baja tahan karat berlapis emas dan berdiameter kurang dari sepersepuluh inci (2,5 mm). Pipa ini memanjang sekitar 30 kaki (10 meter) dari kompresor yang terletak di area bus pesawat ruang angkasa hingga detektor MIRI di elemen teleskop optik yang terletak di belakang cermin utama sarang lebah observatorium. Perangkat keras yang disebut rakitan menara yang dapat dipasang, atau DTA, menghubungkan kedua area tersebut. Saat dikemas untuk diluncurkan, DTA dikompresi, sedikit seperti piston, untuk membantu pasang observatorium yang disimpan ke dalam perlindungan di atas roket. Begitu berada di luar angkasa, menara akan memanjang untuk memisahkan bus pesawat ruang angkasa bersuhu ruangan dari instrumen teleskop optik yang lebih dingin dan memungkinkan kerai dan teleskop untuk digunakan sepenuhnya.
Animasi ini menunjukkan eksekusi ideal penyebaran Teleskop Luar Angkasa James Webb berjam-jam dan berhari-hari setelah peluncuran. Perluasan rakitan menara yang dapat dipasang pusat akan meningkatkan jarak antara dua bagian MIRI. Mereka dihubungkan oleh tabung heliks dengan helium yang didinginkan.
Tetapi proses perpanjangan membutuhkan tabung helium untuk diperpanjang dengan rakitan menara yang dapat diperluas. Jadi tabung itu bergulung seperti pegas, itulah sebabnya para insinyur MIRI menjuluki bagian tabung ini "Slinky".
“Ada beberapa tantangan dalam mengerjakan sistem yang menjangkau beberapa wilayah observatorium,” kata Analyn Schneider, manajer program JPL MIRI.“Wilayah yang berbeda ini dipimpin oleh organisasi atau pusat yang berbeda, termasuk Northrop Grumman dan Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA AS, kami harus berbicara dengan semua orang.Tidak ada perangkat keras lain di teleskop yang perlu melakukan itu, jadi ini merupakan tantangan unik bagi MIRI.Ini jelas merupakan antrean panjang untuk jalan cryocooler MIRI, dan kami siap melihatnya di luar angkasa.”
Teleskop Luar Angkasa James Webb akan diluncurkan pada tahun 2021 sebagai observatorium sains luar angkasa utama dunia.Webb akan mengungkap misteri tata surya kita, melihat ke dunia yang jauh di sekitar bintang lain, dan menjelajahi struktur misterius dan asal mula alam semesta kita dan tempat kita.Webb adalah inisiatif internasional yang dipimpin oleh NASA dan mitranya ESA (Badan Antariksa Eropa) dan Badan Antariksa Kanada.
MIRI dikembangkan melalui kemitraan 50-50 antara NASA dan ESA (Badan Antariksa Eropa). JPL memimpin upaya AS untuk MIRI, dan konsorsium multinasional lembaga astronomi Eropa berkontribusi pada ESA.George Rieke dari Universitas Arizona adalah pemimpin tim sains MIRI AS. Gillian Wright adalah kepala tim ilmiah MIRI Eropa.
Alistair Glasse dari ATC, Inggris adalah Ilmuwan Instrumen MIRI dan Michael Ressler adalah Ilmuwan Proyek AS di JPL.Laszlo Tamas dari Inggris ATC menjalankan Uni Eropa. Pengembangan cryocooler MIRI dipimpin dan dikelola oleh JPL bekerja sama dengan NASA's Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland, dan Northrop Grumman di Redondo Beach, California.