Gli ingegneri conducono una "accettazione" dello strumento nel medio infrarosso del James Webb Space Telescope presso il Goddard Space Flight Center della NASA dopo la partenza dal Regno Unito.
I tecnici di volo del JPL Johnny Melendez (a destra) e Joe Mora ispezionano il criorefrigeratore MIRI prima di spedirlo a Northrop Grumman a Redondo Beach, in California. Lì, il raffreddatore è attaccato al corpo del telescopio Webb.
Questa parte dello strumento MIRI, vista presso l'Appleton Laboratory di Rutherford, nel Regno Unito, contiene rivelatori a infrarossi. Il criorefrigeratore si trova lontano dal rivelatore perché funziona a una temperatura più elevata. Un tubo che trasporta elio freddo collega le due sezioni.
MIRI (a sinistra) siede su una trave di equilibrio a Northrop Grumman a Redondo Beach mentre gli ingegneri si preparano a utilizzare un carroponte per collegarlo all'Integrated Scientific Instrument Module (ISIM). L'ISIM è il nucleo di Webb, i quattro strumenti scientifici che ospitano il telescopio.
Prima che lo strumento MIRI, uno dei quattro strumenti scientifici dell'osservatorio, possa funzionare, deve essere raffreddato quasi alla temperatura più bassa che la materia possa raggiungere.
Il James Webb Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto per il 24 dicembre, è il più grande osservatorio spaziale della storia e ha un compito altrettanto arduo: raccogliere la luce infrarossa dagli angoli più remoti dell'universo, consentendo agli scienziati di sondare la struttura e le origini dell'universo. Il nostro universo e il nostro posto in esso.
Molti oggetti cosmici, tra cui stelle e pianeti, e il gas e la polvere da cui si formano, emettono luce infrarossa, a volte chiamata radiazione termica. Ma lo sono anche la maggior parte degli altri oggetti caldi, come tostapane, esseri umani ed elettronica. Ciò significa che i quattro strumenti a infrarossi di Webb possono rilevare la propria luce infrarossa. o MIRI, deve diventare più freddo: sotto i 7 Kelvin (meno 448 gradi Fahrenheit, o meno 266 gradi Celsius).
Sono solo pochi gradi sopra lo zero assoluto (0 Kelvin) - la temperatura più fredda teoricamente possibile, sebbene non sia mai fisicamente raggiungibile perché rappresenta la completa assenza di calore. (Tuttavia, MIRI non è lo strumento di imaging più freddo che opera nello spazio.)
La temperatura è essenzialmente una misura della velocità con cui gli atomi si muovono e, oltre a rilevare la propria luce infrarossa, i rilevatori Webb possono essere attivati ​​dalle proprie vibrazioni termiche. Il MIRI rileva la luce in un intervallo di energia inferiore rispetto agli altri tre strumenti. Di conseguenza, i suoi rilevatori sono più sensibili alle vibrazioni termiche. Questi segnali indesiderati sono ciò che gli astronomi chiamano "rumore" e possono sopraffare i deboli segnali che Webb sta cercando di rilevare.
Dopo il lancio, Webb dispiegherà un visore delle dimensioni di un campo da tennis che protegge MIRI e altri strumenti dal calore del sole, consentendo loro di raffreddarsi passivamente.
"È relativamente facile raffreddare le cose a quella temperatura sulla Terra, spesso per applicazioni scientifiche o industriali", ha affermato Konstantin Penanen, esperto di criorefrigeratori presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California., che gestisce lo strumento MIRI per la NASA.” Ma quei sistemi basati sulla Terra sono molto voluminosi e inefficienti dal punto di vista energetico.Per un osservatorio spaziale, abbiamo bisogno di un dispositivo di raffreddamento che sia fisicamente compatto, efficiente dal punto di vista energetico e altamente affidabile perché non possiamo uscire e ripararlo.Quindi queste sono le sfide che dobbiamo affrontare., a questo proposito, direi che i criorefrigeratori MIRI sono decisamente all'avanguardia".
Uno degli obiettivi scientifici di Webb è studiare le proprietà delle prime stelle che si sono formate nell'universo. La fotocamera nel vicino infrarosso o lo strumento NIRCam di Webb sarà in grado di rilevare questi oggetti estremamente distanti e il MIRI aiuterà gli scienziati a confermare che queste deboli fonti di luce sono ammassi di stelle di prima generazione, piuttosto che stelle di seconda generazione che si sono formate successivamente nell'evoluzione di una galassia.
Osservando le nubi di polvere più spesse degli strumenti nel vicino infrarosso, il MIRI rivelerà i luoghi di nascita delle stelle. Rileverà anche le molecole che si trovano comunemente sulla Terra – come acqua, anidride carbonica e metano, così come le molecole di minerali rocciosi come i silicati – negli ambienti freddi intorno alle stelle vicine, dove possono formarsi i pianeti. Gli strumenti nel vicino infrarosso sono migliori nel rilevare queste molecole come vapori in ambienti più caldi, mentre il MIRI può vederle come ghiaccio.
"Unendo le competenze statunitensi ed europee, abbiamo sviluppato MIRI come il potere di Webb, che consentirà agli astronomi di tutto il mondo di rispondere a grandi domande su come si formano ed evolvono stelle, pianeti e galassie", ha affermato Gillian Wright, co-responsabile del team scientifico MIRI e European Principal Investigator per lo strumento presso l'UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
Il criorefrigeratore MIRI utilizza gas elio, sufficiente a riempire circa nove palloncini, per allontanare il calore dai rivelatori dello strumento. Due compressori elettrici pompano l'elio attraverso un tubo che si estende fino al punto in cui si trova il rivelatore. Il tubo scorre attraverso un blocco di metallo anch'esso attaccato al rivelatore;l'elio raffreddato assorbe il calore in eccesso dal blocco, mantenendo la temperatura operativa del rivelatore al di sotto dei 7 Kelvin. Il gas riscaldato (ma ancora freddo) ritorna quindi al compressore, dove espelle il calore in eccesso, e il ciclo ricomincia. Fondamentalmente, il sistema è simile a quello utilizzato nei frigoriferi domestici e nei condizionatori d'aria.
I tubi che trasportano l'elio sono realizzati in acciaio inossidabile placcato in oro e hanno un diametro inferiore a un decimo di pollice (2,5 mm). Si estende per circa 10 metri dal compressore situato nell'area del bus della navicella fino al rilevatore MIRI nell'elemento del telescopio ottico situato dietro lo specchio primario a nido d'ape dell'osservatorio. L'hardware chiamato un gruppo torre dispiegabile, o DTA, collega le due aree. osservatorio stivato nella protezione in cima al razzo. Una volta nello spazio, la torre si estenderà per separare il bus del veicolo spaziale a temperatura ambiente dagli strumenti del telescopio ottico più freddi e consentire al parasole e al telescopio di dispiegarsi completamente.
Questa animazione mostra l'esecuzione ideale del dispiegamento del James Webb Space Telescope ore e giorni dopo il lancio. L'espansione del gruppo torre centrale dispiegabile aumenterà la distanza tra le due parti del MIRI. Sono collegate da tubi elicoidali con elio raffreddato.
Ma il processo di allungamento richiede che il tubo di elio venga esteso con il gruppo torre espandibile. Quindi il tubo si avvolge come una molla, motivo per cui gli ingegneri MIRI hanno soprannominato questa parte del tubo "Slinky".
"Ci sono alcune sfide nel lavorare su un sistema che si estende su più regioni dell'osservatorio", ha affermato Analyn Schneider, responsabile del programma JPL MIRI.“Queste diverse regioni sono guidate da diverse organizzazioni o centri, tra cui Northrop Grumman e il Goddard Space Flight Center della NASA statunitense, dobbiamo parlare con tutti.Non c'è altro hardware sul telescopio che deve farlo, quindi è una sfida unica per MIRI.È stata sicuramente una lunga fila per la strada dei criorefrigeratori MIRI e siamo pronti a vederla nello spazio.
Il telescopio spaziale James Webb verrà lanciato nel 2021 come il principale osservatorio di scienze spaziali del mondo. Webb svelerà i misteri del nostro sistema solare, osserverà mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplorerà le misteriose strutture e origini del nostro universo e del nostro luogo. Webb è un'iniziativa internazionale guidata dalla NASA e dai suoi partner ESA (Agenzia spaziale europea) e Agenzia spaziale canadese.
MIRI è stato sviluppato attraverso una partnership 50-50 tra la NASA e l'ESA (Agenzia spaziale europea). JPL guida lo sforzo statunitense per MIRI e un consorzio multinazionale di istituti astronomici europei contribuisce all'ESA. George Rieke dell'Università dell'Arizona è il leader del team scientifico statunitense di MIRI.
Alistair Glasse dell'ATC, Regno Unito è MIRI Instrument Scientist e Michael Ressler è US Project Scientist presso il JPL. Laszlo Tamas dell'ATC del Regno Unito è responsabile dell'Unione Europea.