Ingenieurs voeren een "acceptatie" uit van het midden-infraroodinstrument van de James Webb Space Telescope in het Goddard Space Flight Center van NASA na vertrek uit het VK.
JPL-vluchttechnici Johnny Melendez (rechts) en Joe Mora inspecteren de MIRI-cryokoeler voordat deze naar Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië wordt verscheept. Daar wordt de koeler bevestigd aan het lichaam van de Webb-telescoop.
Dit deel van het MIRI-instrument, gezien in het Appleton Laboratory in Rutherford, VK, bevat infrarooddetectoren. De cryokoeler bevindt zich verder van de detector omdat deze op een hogere temperatuur werkt. Een buis met koud helium verbindt de twee secties.
MIRI (links) zit op een evenwichtsbalk bij Northrop Grumman in Redondo Beach terwijl ingenieurs zich voorbereiden om een ​​bovenloopkraan te gebruiken om deze aan de Integrated Scientific Instrument Module (ISIM) te bevestigen. De ISIM is de kern van Webb, de vier wetenschappelijke instrumenten waarin de telescoop is ondergebracht.
Voordat het MIRI-instrument - een van de vier wetenschappelijke instrumenten op het observatorium - kan werken, moet het worden afgekoeld tot bijna de koudste temperatuur die materie kan bereiken.
NASA's James Webb Space Telescope, gepland voor lancering op 24 december, is het grootste ruimteobservatorium in de geschiedenis, en het heeft een even ontmoedigende taak: het verzamelen van infrarood licht uit verre uithoeken van het universum, waardoor wetenschappers de structuur en oorsprong van het universum kunnen onderzoeken. Ons universum en onze plaats daarin.
Veel kosmische objecten - inclusief sterren en planeten, en het gas en stof waaruit ze worden gevormd - stralen infrarood licht uit, ook wel thermische straling genoemd. Maar dat geldt ook voor de meeste andere warme objecten, zoals broodroosters, mensen en elektronica. Dat betekent dat de vier infraroodinstrumenten van Webb hun eigen infraroodlicht kunnen detecteren. Om deze emissies te verminderen, moet het instrument erg koud zijn - ongeveer 40 Kelvin, of minus 388 graden Fahrenheit (minus 233 graden Celsius). of MIRI, moet kouder worden: onder de 7 Kelvin (minus 448 graden Fahrenheit of min 266 graden Celsius).
Dat is slechts een paar graden boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) - de koudste temperatuur die theoretisch mogelijk is, hoewel het nooit fysiek bereikbaar is omdat het de volledige afwezigheid van warmte vertegenwoordigt. (MIRI is echter niet het koudste beeldvormingsinstrument dat in de ruimte opereert.)
Temperatuur is in wezen een maat voor hoe snel atomen bewegen, en naast het detecteren van hun eigen infraroodlicht, kunnen Webb-detectoren worden geactiveerd door hun eigen thermische trillingen. MIRI detecteert licht in een lager energiebereik dan de andere drie instrumenten. Als gevolg hiervan zijn de detectoren gevoeliger voor thermische trillingen. Deze ongewenste signalen zijn wat astronomen "ruis" noemen, en ze kunnen de zwakke signalen die Webb probeert te detecteren overweldigen.
Na de lancering zal Webb een vizier ter grootte van een tennisbaan inzetten dat MIRI en andere instrumenten beschermt tegen de hitte van de zon, waardoor ze passief kunnen afkoelen. Vanaf ongeveer 77 dagen na de lancering zal de cryokoeler van MIRI 19 dagen nodig hebben om de temperatuur van de detectoren van het instrument te verlagen tot onder 7 Kelvin.
"Het is relatief eenvoudig om dingen af ​​te koelen tot die temperatuur op aarde, vaak voor wetenschappelijke of industriële toepassingen", zegt Konstantin Penanen, een cryokoeler-expert bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië., die het MIRI-instrument voor NASA beheert. "Maar die op aarde gebaseerde systemen zijn erg omvangrijk en energie-inefficiënt.Voor een ruimteobservatorium hebben we een koeler nodig die fysiek compact en energiezuinig is en zeer betrouwbaar moet zijn, want we kunnen hem niet gaan repareren.Dit zijn dus de uitdagingen waar we voor staan., wat dat betreft zou ik zeggen dat MIRI-cryokoelers absoluut voorop lopen.”
Een van de wetenschappelijke doelen van Webb is het bestuderen van de eigenschappen van de eerste sterren die in het universum zijn gevormd. Webb's nabij-infraroodcamera of NIRCam-instrument zal deze extreem verre objecten kunnen detecteren, en MIRI zal wetenschappers helpen bevestigen dat deze zwakke lichtbronnen clusters van sterren van de eerste generatie zijn, in plaats van sterren van de tweede generatie die zich later in de evolutie van een melkwegstelsel hebben gevormd.
Door te kijken naar stofwolken die dikker zijn dan nabij-infraroodinstrumenten, zal MIRI de geboorteplaatsen van sterren onthullen. Het zal ook moleculen detecteren die gewoonlijk op aarde worden aangetroffen - zoals water, koolstofdioxide en methaan, evenals moleculen van rotsachtige mineralen zoals silicaten - in de koele omgevingen rond nabije sterren, waar planeten kunnen ontstaan. Nabij-infraroodinstrumenten zijn beter in het detecteren van deze moleculen als dampen in hetere omgevingen, terwijl MIRI ze als ijs kan zien.
"Door Amerikaanse en Europese expertise te combineren, hebben we MIRI ontwikkeld als de kracht van Webb, waarmee astronomen van over de hele wereld grote vragen kunnen beantwoorden over hoe sterren, planeten en sterrenstelsels ontstaan ​​en evolueren", zegt Gillian Wright, co-lead van het MIRI-wetenschapsteam en Europees hoofdonderzoeker voor het instrument bij het UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
De MIRI-cryokoeler gebruikt heliumgas - genoeg om ongeveer negen feestballonnen te vullen - om warmte weg te voeren van de detectoren van het instrument. Twee elektrische compressoren pompen helium door een buis die zich uitstrekt tot waar de detector zich bevindt. De buis loopt door een blok metaal dat ook aan de detector is bevestigd;het gekoelde helium absorbeert overtollige warmte van het blok, waardoor de bedrijfstemperatuur van de detector onder de 7 Kelvin blijft. Het verwarmde (maar nog steeds koude) gas keert vervolgens terug naar de compressor, waar het de overtollige warmte verdrijft, en de cyclus begint opnieuw. In wezen is het systeem vergelijkbaar met het systeem dat wordt gebruikt in huishoudelijke koelkasten en airconditioners.
De buizen die helium bevatten, zijn gemaakt van verguld roestvrij staal en hebben een diameter van minder dan een tiende van een inch (2,5 mm). Het strekt zich ongeveer 30 voet (10 meter) uit van de compressor in het ruimtevaartuigbusgebied naar de MIRI-detector in het optische telescoopelement achter de honingraathoofdspiegel van het observatorium. Hardware die een inzetbare torenconstructie of DTA wordt genoemd, verbindt de twee gebieden. Wanneer verpakt voor lancering, wordt de DTA gecomprimeerd, een beetje zoals een zuiger, om te helpen installeren het opgeborgen observatorium in de bescherming bovenop de raket. Eenmaal in de ruimte zal de toren uitschuiven om de ruimtevaartuigbus op kamertemperatuur te scheiden van de koelere optische telescoopinstrumenten en het zonnescherm en de telescoop volledig te laten ontplooien.
Deze animatie toont de ideale uitvoering van de inzet van de James Webb Space Telescope uren en dagen na de lancering. De uitbreiding van de centrale inzetbare torenconstructie zal de afstand tussen de twee delen van de MIRI vergroten. Ze zijn verbonden door spiraalvormige buizen met gekoeld helium.
Maar het verlengingsproces vereist dat de heliumbuis wordt verlengd met de uitbreidbare torenconstructie. De buis rolt dus op als een veer, daarom gaven MIRI-ingenieurs de bijnaam "Slinky" aan dit deel van de buis.
"Er zijn enkele uitdagingen bij het werken aan een systeem dat meerdere regio's van het observatorium omvat", zegt Analyn Schneider, JPL MIRI-programmamanager.“Deze verschillende regio's worden geleid door verschillende organisaties of centra, waaronder Northrop Grumman en het Goddard Space Flight Center van de Amerikaanse NASA. We moeten met iedereen praten.Er is geen andere hardware op de telescoop die dat moet doen, dus het is een uitdaging die uniek is voor MIRI.Het is zeker een lange rij geweest voor MIRI cryocoolers road, en we zijn klaar om het in de ruimte te zien.
De James Webb-ruimtetelescoop wordt in 2021 gelanceerd als 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium. Webb zal de mysteries van ons zonnestelsel ontrafelen, naar verre werelden rond andere sterren kijken en de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plek verkennen. Webb is een internationaal initiatief geleid door NASA en haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.
MIRI is ontwikkeld via een 50-50-partnerschap tussen NASA en ESA (European Space Agency). JPL leidt de Amerikaanse inspanning voor MIRI, en een multinationaal consortium van Europese astronomische instituten draagt ​​bij aan ESA. George Rieke van de Universiteit van Arizona is de leider van het Amerikaanse wetenschapsteam van MIRI. Gillian Wright is het hoofd van het Europese wetenschappelijke team van MIRI.
Alistair Glasse van ATC, UK is MIRI Instrument Scientist en Michael Ressler is US Project Scientist bij JPL. Laszlo Tamas van de UK ATC is verantwoordelijk voor de Europese Unie. De ontwikkeling van de MIRI cryokoeler werd geleid en beheerd door JPL in samenwerking met NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië.