英国を出発後、NASAのゴダード宇宙飛行センターでジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の中赤外線機器の「受け入れ」を行う技術者たち。
JPL の飛行技術者、ジョニー メレンデス (右) とジョー モラは、カリフォルニア州レドンドビーチのノースロップ グラマンに出荷する前に MIRI 極低温クーラーを検査します。そこで、クーラーはウェッブ望遠鏡の本体に取り付けられています。
英国ラザフォードのアップルトン研究所で見られた、MIRI 装置のこの部分には赤外線検出器が含まれています。極低温冷却器はより高い温度で動作するため、検出器から離れて配置されています。冷たいヘリウムを運ぶチューブが 2 つのセクションを接続しています。
MIRI (左) はレドンドビーチのノースロップ・グラマン社の平均台に座っており、エンジニアは天井クレーンを使用して統合科学機器モジュール (ISIM) に取り付ける準備をしています。ISIM はウェッブの中核であり、望遠鏡を収容する 4 つの科学機器です。
天文台にある 4 つの科学機器のうちの 1 つである MIRI 機器が動作する前に、物質が到達できる最も低い温度近くまで冷却する必要があります。
12 月 24 日に打ち上げ予定の NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、史上最大の宇宙天文台であり、同様に困難な任務を担っています。それは、宇宙の遠く離れた隅々から赤外線を収集し、科学者が宇宙の構造と起源を調査できるようにすることです。私たちの宇宙とその中での私たちの場所。
星や惑星、それらが形成されるガスや塵など、多くの宇宙物体は、熱放射と呼ばれることもある赤外線を放出します。しかし、トースター、人間、電子機器など、他のほとんどの暖かい物体も同様です。つまり、ウェッブの 4 つの赤外線計測器は自身の赤外線を検出できます。これらの放射を減らすには、計測器は非常に低温でなければなりません。約 40 ケルビン、または華氏マイナス 388 度 (摂氏マイナス 233 度)。しかし、適切に機能するには、ミッドイン内の検出器が必要です。赤外線機器 (MIRI) は、7 ケルビン (華氏マイナス 448 度、または摂氏マイナス 266 度) 未満に冷たくする必要があります。
これは、絶対零度 (0 ケルビン) よりわずか数度高い温度です。これは理論的に可能な最も低い温度ですが、熱が完全に存在しないことを表すため、物理的に到達することは決してありません。(ただし、MIRI は宇宙で動作する最も冷たい画像機器ではありません)。
温度は基本的に原子の移動速度の尺度であり、ウェッブ検出器は自身の赤外光を検出するだけでなく、ウェッブ検出器自体の熱振動によってもトリガーされます。MIRI は他の 3 つの機器よりも低いエネルギー範囲の光を検出します。その結果、検出器は熱振動に対してより敏感になります。これらの不要な信号は天文学者が「ノイズ」と呼ぶもので、ウェッブが検出しようとしている微弱な信号を圧倒する可能性があります。
打ち上げ後、ウェッブは、MIRIやその他の機器を太陽の熱から守り、受動的に冷却できるようにするテニスコートサイズのバイザーを展開する予定です。打ち上げから約77日後から、MIRIの極低温冷却器が機器の検出器の温度を7ケルビン未満に下げるのに19日かかります。
南カリフォルニアにあるNASAのジェット推進研究所の極低温冷却器の専門家、コンスタンティン・ペナネン氏は、「科学や産業用途で、地球上で物体をその温度まで冷却するのは比較的簡単だ」と語る。しかし、これらの地球上のシステムは非常にかさばっており、エネルギー効率も悪いです。宇宙観測では、物理的にコンパクトでエネルギー効率の高い冷却器が必要ですが、外に出て修理することができないため、信頼性が高くなければなりません。これらが私たちが直面している課題です。その点で、MIRI 冷凍機は間違いなく最前線にあると言えます。」
ウェッブの科学的目標の 1 つは、宇宙で形成された最初の星の特性を研究することです。ウェッブの近赤外線カメラまたは NIRCam 機器は、これらの非常に遠い天体を検出できるようになり、MIRI は科学者がこれらの微かな光源が、銀河進化の後に形成された第 2 世代の星ではなく、第 1 世代の星のクラスターであることを確認するのに役立ちます。
MIRIは、近赤外線装置よりも厚い塵雲を観察することで、星の誕生の場所を明らかにする。また、水、二酸化炭素、メタンなど、地球上で一般的に見られる分子や、惑星が形成される可能性のある近くの星の周囲の冷たい環境にあるケイ酸塩などの岩石鉱物の分子も検出する。近赤外線装置は、より高温の環境ではこれらの分子を蒸気として検出することに優れているが、MIRIはそれらの分子を氷として見ることができる。
「米国と欧州の専門知識を組み合わせることで、我々はウェッブの力としてMIRIを開発しました。これにより、世界中の天文学者が星、惑星、銀河がどのように形成され進化するかについての大きな疑問に答えることができるようになります」とMIRI科学チームの共同リーダーで英国天文技術センター(UK ATC)のこの機器の欧州主任研究員であるジリアン・ライトは述べた。
MIRI 極低温冷却器は、機器の検出器から熱を運ぶために、約 9 個のパーティバルーンを満たすのに十分なヘリウムガスを使用します。2 台の電動コンプレッサーが、検出器が設置されている場所まで伸びるチューブを通してヘリウムを送り出します。チューブは、検出器にも取り付けられている金属ブロックの中を通っています。冷却されたヘリウムがブロックから過剰な熱を吸収し、検出器の動作温度を 7 ケルビン未満に保ちます。加熱された (ただしまだ冷たい) ガスはコンプレッサーに戻り、そこで過剰な熱が排出され、サイクルが再び始まります。基本的に、このシステムは家庭用冷蔵庫やエアコンで使用されているものと似ています。
ヘリウムを運ぶパイプは金メッキのステンレス鋼でできており、直径は 10 分の 1 インチ (2.5 mm) 未満です。パイプは宇宙船のバスエリアにあるコンプレッサーから、天文台のハニカム主鏡の後ろにある光学望遠鏡要素の MIRI 検出器まで約 30 フィート (10 メートル) 伸びています。展開可能なタワーアセンブリ (DTA) と呼ばれるハードウェアが 2 つのエリアを接続しています。打ち上げ用に梱包されると、DTA はピストンのように圧縮されます。格納された天文台をロケット上部の保護装置に設置するのに役立ちます。宇宙に到達すると、タワーは拡張して室温の宇宙船バスを低温の光学望遠鏡機器から分離し、日よけと望遠鏡が完全に展開できるようにします。
このアニメーションは、打ち上げから数時間および数日後のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の展開の理想的な実行を示しています。中央の展開可能なタワー アセンブリの拡張により、MIRI の 2 つの部分間の距離が増加します。それらは、冷却ヘリウムを備えた螺旋管によって接続されています。
しかし、伸長プロセスでは、拡張可能なタワー アセンブリを使用してヘリウム チューブを伸ばす必要があります。そのため、チューブはバネのようにコイル状になります。そのため、MIRI のエンジニアはチューブのこの部分に「スリンキー」というニックネームを付けました。
「天文台の複数の地域にまたがるシステムの開発にはいくつかの課題があります」と JPL MIRI プログラムマネージャーのアナリン・シュナイダー氏は述べています。「これらのさまざまな地域は、ノースロップ・グラマンや米国NASAのゴダード宇宙飛行センターなど、さまざまな組織やセンターが主導しているため、私たちは全員と話し合う必要があります。望遠鏡にはそれを行う必要のあるハードウェアが他にないため、これは MIRI 特有の課題です。MIRI 冷凍機の開発は間違いなく長い行列でしたが、私たちはそれを宇宙で見る準備ができています。」
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界最高の宇宙科学天文台として 2021 年に打ち上げられます。ウェッブは、太陽系の謎を解き明かし、他の星の周りの遠い世界に目を向け、私たちの宇宙と私たちの場所の神秘的な構造と起源を探求します。ウェッブは、NASA とそのパートナーである ESA (欧州宇宙機関) およびカナダ宇宙庁が主導する国際的な取り組みです。
MIRI は、NASA と ESA (欧州宇宙機関) の 50 対 50 のパートナーシップによって開発されました。JPL が米国の MIRI への取り組みを主導し、欧州天文学機関の多国籍コンソーシアムが ESA に貢献しています。アリゾナ大学のジョージ リーケ氏は MIRI の米国科学チームのリーダーです。ジリアン ライト氏は MIRI の欧州科学チームのリーダーです。
英国ATCのAlistair Glasse氏はMIRI機器科学者、Michael Ressler氏はJPLの米国プロジェクト科学者です。英国ATCのLaszlo Tamas氏は欧州連合を担当しています。MIRI極低温冷却器の開発は、メリーランド州グリーンベルトのNASAゴダード宇宙飛行センターおよびカリフォルニア州レドンドビーチのノースロップ・グラマンと協力してJPLが主導および管理しました。