Inżynierowie przeprowadzają „odbiór” instrumentu średniej podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA po wyjeździe z Wielkiej Brytanii.
Technicy lotni JPL, Johnny Melendez (po prawej) i Joe Mora, sprawdzają chłodnicę kriogeniczną MIRI przed wysłaniem jej do Northrop Grumman w Redondo Beach w Kalifornii. Tam chłodnica jest przymocowana do korpusu teleskopu Webba.
Ta część instrumentu MIRI, widziana w Appleton Laboratory w Rutherford w Wielkiej Brytanii, zawiera detektory podczerwieni. Chłodnica kriogeniczna jest umieszczona z dala od detektora, ponieważ pracuje w wyższej temperaturze. Rurka przewodząca zimny hel łączy dwie sekcje.
MIRI (po lewej) siedzi na równoważni w Northrop Grumman w Redondo Beach, podczas gdy inżynierowie przygotowują się do użycia suwnicy w celu przymocowania jej do Zintegrowanego Modułu Instrumentów Naukowych (ISIM). ISIM to rdzeń Webba, cztery instrumenty naukowe, w których znajduje się teleskop.
Zanim instrument MIRI – jeden z czterech instrumentów naukowych w obserwatorium – będzie mógł działać, musi zostać schłodzony do prawie najniższej temperatury, jaką może osiągnąć materia.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, którego start zaplanowano na 24 grudnia, jest największym obserwatorium kosmicznym w historii i ma równie trudne zadanie: zbieranie światła podczerwonego z odległych zakątków wszechświata, co pozwala naukowcom badać strukturę i pochodzenie wszechświata. Nasz wszechświat i nasze miejsce w nim.
Wiele obiektów kosmicznych — w tym gwiazdy i planety oraz gaz i pył, z których powstają — emituje światło podczerwone, czasami nazywane promieniowaniem cieplnym. Ale podobnie jest z większością innych ciepłych obiektów, takich jak tostery, ludzie i elektronika. Oznacza to, że cztery instrumenty na podczerwień Webba mogą wykrywać własne światło podczerwone. instrument, czyli MIRI, musi się ochłodzić: poniżej 7 kelwinów (minus 448 stopni Fahrenheita, czyli minus 266 stopni Celsjusza).
To zaledwie kilka stopni powyżej zera bezwzględnego (0 kelwinów) – najniższa temperatura teoretycznie możliwa, chociaż nigdy nie jest fizycznie osiągalna, ponieważ oznacza całkowity brak ciepła. (Jednak MIRI nie jest najzimniejszym instrumentem do obrazowania działającym w kosmosie).
Temperatura jest zasadniczo miarą szybkości poruszania się atomów, a oprócz wykrywania własnego światła podczerwonego, detektory Webba mogą być wyzwalane przez własne wibracje termiczne. MIRI wykrywa światło w niższym zakresie energii niż pozostałe trzy instrumenty. W rezultacie jego detektory są bardziej wrażliwe na wibracje termiczne. Te niepożądane sygnały, które astronomowie nazywają „szumem”, mogą przytłaczać słabe sygnały, które Webb próbuje wykryć.
Po wystrzeleniu Webb rozmieści wizjer wielkości kortu tenisowego, który ochroni MIRI i inne instrumenty przed ciepłem słonecznym, umożliwiając im pasywne chłodzenie. Zaczynając około 77 dni po wystrzeleniu, chłodnica kriogeniczna MIRI będzie potrzebowała 19 dni, aby obniżyć temperaturę detektorów instrumentu do poniżej 7 kelwinów.
„Stosunkowo łatwo jest schłodzić rzeczy do tej temperatury na Ziemi, często do zastosowań naukowych lub przemysłowych” – powiedział Konstantin Penanen, ekspert od chłodnic kriogenicznych w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Południowej Kalifornii., który zarządza instrumentem MIRI dla NASA.”Ale te systemy naziemne są bardzo nieporęczne i nieefektywne energetycznie.Do obserwatorium kosmicznego potrzebujemy chłodnicy, która jest fizycznie kompaktowa, energooszczędna i musi być wysoce niezawodna, ponieważ nie możemy wyjść i jej naprawić.Oto wyzwania, przed którymi stoimy.pod tym względem powiedziałbym, że chłodnice kriogeniczne MIRI zdecydowanie przodują”.
Jednym z celów naukowych Webba jest zbadanie właściwości pierwszych gwiazd, które powstały we wszechświecie. Kamera bliskiej podczerwieni lub instrument NIRCam Webba będzie w stanie wykryć te niezwykle odległe obiekty, a MIRI pomoże naukowcom potwierdzić, że te słabe źródła światła są raczej gromadami gwiazd pierwszej generacji niż gwiazdami drugiej generacji, które powstały później w ewolucji galaktyki.
Przyglądając się obłokom pyłu, które są grubsze niż instrumenty bliskiej podczerwieni, MIRI ujawni miejsca narodzin gwiazd. Wykryje również cząsteczki powszechnie występujące na Ziemi – takie jak woda, dwutlenek węgla i metan, a także cząsteczki minerałów skalistych, takich jak krzemiany – w chłodnych środowiskach wokół pobliskich gwiazd, w których mogą tworzyć się planety. Instrumenty bliskiej podczerwieni lepiej wykrywają te cząsteczki jako opary w gorętszych środowiskach, podczas gdy MIRI widzi je jako lód.
„Łącząc amerykańską i europejską wiedzę specjalistyczną, opracowaliśmy MIRI jako potęgę Webba, która umożliwi astronomom z całego świata odpowiedzieć na ważne pytania dotyczące formowania się i ewolucji gwiazd, planet i galaktyk” — powiedziała Gillian Wright, współprzewodnicząca zespołu naukowego MIRI i europejska główna badaczka instrumentu w UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
Chłodnica kriogeniczna MIRI wykorzystuje hel w ilości wystarczającej do napełnienia około dziewięciu balonów imprezowych, aby odprowadzać ciepło z detektorów instrumentu. Dwie elektryczne sprężarki pompują hel przez rurkę, która rozciąga się do miejsca, w którym znajduje się detektor. Rurka przechodzi przez blok metalu, który jest również przymocowany do detektora;schłodzony hel pochłania nadmiar ciepła z bloku, utrzymując temperaturę pracy detektora poniżej 7 kelwinów. Podgrzany (ale wciąż zimny) gaz wraca następnie do sprężarki, gdzie usuwa nadmiar ciepła i cykl zaczyna się od nowa. Zasadniczo system jest podobny do tego stosowanego w domowych lodówkach i klimatyzatorach.
Rury przenoszące hel są wykonane z pozłacanej stali nierdzewnej i mają mniej niż jedną dziesiątą cala (2,5 mm) średnicy. Rozciąga się na około 30 stóp (10 metrów) od sprężarki znajdującej się w obszarze autobusu statku kosmicznego do detektora MIRI w elemencie teleskopu optycznego, który znajduje się za głównym zwierciadłem obserwatorium o strukturze plastra miodu. Sprzęt zwany rozkładaną wieżą lub DTA łączy te dwa obszary. pomóż zainstalować złożone obserwatorium w osłonie na szczycie rakiety. Po znalezieniu się w kosmosie wieża rozszerzy się, aby oddzielić szynę statku kosmicznego o temperaturze pokojowej od chłodniejszych instrumentów teleskopu optycznego i umożliwić pełne rozłożenie osłony przeciwsłonecznej i teleskopu.
Ta animacja pokazuje idealne wykonanie rozmieszczenia Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba w kilka godzin i dni po wystrzeleniu. Rozbudowa centralnej rozkładanej wieży zwiększy odległość między dwiema częściami MIRI. Są one połączone spiralnymi rurami z chłodzonym helem.
Ale proces wydłużania wymaga wydłużenia rurki helowej za pomocą rozszerzalnej wieży. Tak więc rurka zwija się jak sprężyna, dlatego inżynierowie MIRI nadali tej części rurki przydomek „Slinky”.
„Praca nad systemem obejmującym wiele regionów obserwatorium wiąże się z pewnymi wyzwaniami” — powiedział Analyn Schneider, kierownik programu JPL MIRI.„Te różne regiony są kierowane przez różne organizacje lub ośrodki, w tym Northrop Grumman i Goddard Space Flight Center NASA, musimy rozmawiać ze wszystkimi.W teleskopie nie ma innego sprzętu, który mógłby to zrobić, więc jest to wyzwanie unikalne dla MIRI.To zdecydowanie była długa kolejka do chłodnic kriogenicznych MIRI i jesteśmy gotowi zobaczyć to w kosmosie”.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zostanie wyniesiony na orbitę w 2021 roku jako wiodące na świecie kosmiczne obserwatorium naukowe. Webb rozwikła tajemnice naszego Układu Słonecznego, zajrzy do odległych światów wokół innych gwiazd oraz zbada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata i naszego miejsca. Webb to międzynarodowa inicjatywa prowadzona przez NASA i jej partnerów ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjską Agencję Kosmiczną.
MIRI został opracowany w ramach partnerstwa 50-50 między NASA i ESA (Europejska Agencja Kosmiczna). JPL kieruje amerykańskimi wysiłkami na rzecz MIRI, a międzynarodowe konsorcjum europejskich instytutów astronomicznych wnosi wkład do ESA. George Rieke z University of Arizona jest liderem amerykańskiego zespołu naukowego MIRI. Gillian Wright jest szefem europejskiego zespołu naukowego MIRI.
Alistair Glasse z ATC w Wielkiej Brytanii jest MIRI Instrument Scientist, a Michael Ressler jest amerykańskim naukowcem projektu w JPL. Laszlo Tamas z brytyjskiego ATC kieruje Unią Europejską. Rozwój chłodnicy kriogenicznej MIRI był prowadzony i zarządzany przez JPL we współpracy z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland i Northrop Grumman w Redondo Beach w Kalifornii.