Ingeniører gjennomfører en "aksept" av James Webb-romteleskopets midt-infrarøde instrument ved NASAs Goddard Space Flight Center etter avreise fra Storbritannia.
JPL-flyteknikerne Johnny Melendez (til høyre) og Joe Mora inspiserer MIRI-kryokjøleren før de sender den til Northrop Grumman i Redondo Beach, California. Der er kjøleren festet til kroppen til Webb-teleskopet.
Denne delen av MIRI-instrumentet, sett ved Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannia, inneholder infrarøde detektorer. Kryokjøleren er plassert borte fra detektoren fordi den opererer ved høyere temperatur. Et rør med kaldt helium forbinder de to seksjonene.
MIRI (til venstre) sitter på en balansebjelke ved Northrop Grumman i Redondo Beach mens ingeniører forbereder seg på å bruke en overheadkran for å feste den til den integrerte vitenskapelige instrumentmodulen (ISIM). ISIM er Webbs kjerne, de fire vitenskapelige instrumentene som huser teleskopet.
Før MIRI-instrumentet - et av de fire vitenskapelige instrumentene på observatoriet - kan fungere, må det avkjøles til nesten den kaldeste temperaturen som materie kan nå.
NASAs James Webb-romteleskop, som er planlagt lansert 24. desember, er det største romobservatoriet i historien, og det har en like skremmende oppgave: å samle infrarødt lys fra fjerne hjørner av universet, slik at forskere kan undersøke strukturen og opprinnelsen til universet .Vårt univers og vår plass i det.
Mange kosmiske objekter – inkludert stjerner og planeter, og gassen og støvet som de dannes fra – sender ut infrarødt lys, noen ganger kalt termisk stråling. Men det samme er de fleste andre varme objekter, som brødristere, mennesker og elektronikk. Det betyr at Webbs fire infrarøde instrumenter kan oppdage sitt eget infrarøde lys. For å redusere disse utslippene, må instrumentet være min 80 grader kaldt eller 80 grader. (minus 233 grader Celsius). Men for å fungere skikkelig, må detektorene inne i det midt-infrarøde instrumentet, eller MIRI, bli kaldere: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit, eller minus 266 grader Celsius).
Det er bare noen få grader over absolutt null (0 Kelvin) – den kaldeste temperaturen som er teoretisk mulig, selv om den aldri er fysisk tilgjengelig fordi den representerer fullstendig fravær av varme. (Men MIRI er ikke det kaldeste bildeinstrumentet som opererer i verdensrommet.)
Temperaturen er i hovedsak et mål på hvor raskt atomene beveger seg, og i tillegg til å oppdage sitt eget infrarøde lys, kan Webb-detektorer utløses av sine egne termiske vibrasjoner. MIRI detekterer lys i et lavere energiområde enn de tre andre instrumentene. Som et resultat er detektorene mer følsomme for termiske vibrasjoner. Disse uønskede signalene kan ikke-astronomiske signaler, og de kan kalle "overhelming" oppdage.
Etter lansering vil Webb utplassere et visir på størrelse med en tennisbane som skjermer MIRI og andre instrumenter mot solens varme, slik at de kan avkjøles passivt. Fra og med ca. 77 dager etter lansering vil MIRIs kryokjøler bruke 19 dager på å redusere temperaturen på instrumentets detektorer til under 7 Kelvin.
"Det er relativt enkelt å kjøle ting ned til den temperaturen på jorden, ofte for vitenskapelige eller industrielle anvendelser," sa Konstantin Penanen, en kryokjølerekspert ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Sør-California., som administrerer MIRI-instrumentet for NASA." Men de jordbaserte systemene er veldig klumpete og energiineffektive.For et romobservatorium trenger vi en kjøler som er fysisk kompakt, energieffektiv, og den må være svært pålitelig fordi vi ikke kan gå ut og fikse den.Så dette er utfordringene vi står overfor., i den forbindelse vil jeg si at MIRI kryokjølere definitivt er i forkant.»
Et av Webbs vitenskapelige mål er å studere egenskapene til de første stjernene som ble dannet i universet. Webbs nær-infrarøde kamera eller NIRCam-instrument vil være i stand til å oppdage disse ekstremt fjerne objektene, og MIRI vil hjelpe forskere med å bekrefte at disse svake lyskildene er klynger av førstegenerasjonsstjerner, snarere enn andre generasjons involusjonsstjerner.
Ved å se på støvskyer som er tykkere enn nær-infrarøde instrumenter, vil MIRI avsløre fødestedene til stjerner. Den vil også oppdage molekyler som vanligvis finnes på jorden – som vann, karbondioksid og metan, samt molekyler av steinete mineraler som silikater – i de kjølige miljøene rundt nærliggende stjerner, der planetene kan dannes bedre i de varmeste instrumentene og de oppdager molekyler i miljøet. , mens MIRI kan se dem som is.
"Ved å kombinere amerikansk og europeisk ekspertise har vi utviklet MIRI som kraften til Webb, som vil gjøre det mulig for astronomer fra hele verden å svare på store spørsmål om hvordan stjerner, planeter og galakser dannes og utvikler seg," sa Gillian Wright, medleder for MIRI-vitenskapsteamet og europeisk hovedetterforsker for instrumentet ved UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
MIRI-kryokjøleren bruker heliumgass – nok til å fylle rundt ni partyballonger – for å frakte varme bort fra instrumentets detektorer. To elektriske kompressorer pumper helium gjennom et rør som strekker seg til der detektoren er plassert. Røret går gjennom en metallblokk som også er festet til detektoren;det avkjølte heliumet absorberer overflødig varme fra blokken, og holder detektorens driftstemperatur under 7 Kelvin.Den oppvarmede (men fortsatt kalde) gassen går deretter tilbake til kompressoren, hvor den sender ut overflødig varme, og syklusen starter på nytt. I utgangspunktet ligner systemet på det som brukes i husholdningskjøleskap og klimaanlegg.
Rørene som bærer helium er laget av gullbelagt rustfritt stål og er mindre enn en tidel tomme (2,5 mm) i diameter. Det strekker seg ca. 30 fot (10 meter) fra kompressoren som er plassert i romfartøyets bussområde til MIRI-detektoren i det optiske teleskopelementet som er plassert bak observatoriets honeycomb primære speil, eller to deployable områder som kan settes sammen for DTA. oppskyting, komprimeres DTA, litt som et stempel, for å hjelpe med å installere det oppbevarte observatoriet i beskyttelsen på toppen av raketten. Når det først er i verdensrommet, vil tårnet utvide seg for å skille romtemperaturbussen fra de kjøligere optiske teleskopinstrumentene og la solskjermen og teleskopet utplasseres fullt ut.
Denne animasjonen viser den ideelle utførelsen av James Webb-romteleskopets utplassering timer og dager etter lanseringen. Utvidelsen av den sentrale utplasserbare tårnenheten vil øke avstanden mellom de to delene av MIRI. De er forbundet med spiralformede rør med avkjølt helium.
Men forlengelsesprosessen krever at heliumrøret forlenges med den utvidbare tårnmonteringen. Så røret spoler seg som en fjær, og det er grunnen til at MIRI-ingeniører ga denne delen av røret tilnavnet "Slinky".
"Det er noen utfordringer med å jobbe med et system som spenner over flere regioner av observatoriet," sa Analyn Schneider, JPL MIRI-programleder."Disse forskjellige regionene ledes av forskjellige organisasjoner eller sentre, inkludert Northrop Grumman og den amerikanske NASAs Goddard Space Flight Center, vi må snakke med alle.Det er ingen annen maskinvare på teleskopet som trenger å gjøre det, så det er en utfordring unik for MIRI.Det har definitivt vært en lang rekke for MIRI cryocoolers road, og vi er klare til å se den i verdensrommet.»
James Webb-romteleskopet vil lanseres i 2021 som verdens fremste romvitenskapelige observatorium. Webb vil avdekke mysteriene i solsystemet vårt, se til fjerne verdener rundt andre stjerner, og utforske de mystiske strukturene og opprinnelsen til universet vårt og stedet vårt. Webb er et internasjonalt initiativ ledet av NASA og dets partnere ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.
MIRI ble utviklet gjennom et 50-50 partnerskap mellom NASA og ESA (European Space Agency).JPL leder den amerikanske innsatsen for MIRI, og et multinasjonalt konsortium av europeiske astronomiske institutter bidrar til ESA.George Rieke ved University of Arizona er MIRIs amerikanske vitenskapsteamleder.Gillian Wright er leder av MIRIcientifics europeiske vitenskapsteam.
Alistair Glasse fra ATC, UK er MIRI Instrument Scientist og Michael Ressler er US Project Scientist ved JPL.Laszlo Tamas fra UK ATC driver European Union.Utviklingen av MIRI kryokjøleren ble ledet og administrert av JPL i samarbeid med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og Northrop Grumman Beach, California i Redondo Beach.