Engenheiros conduzem uma “aceitação” do instrumento de infravermelho médio do Telescópio Espacial James Webb no Goddard Space Flight Center da NASA depois de partir do Reino Unido.
Os técnicos de voo do JPL, Johnny Melendez (à direita) e Joe Mora, inspecionam o crioresfriador MIRI antes de enviá-lo para Northrop Grumman em Redondo Beach, Califórnia. Lá, o resfriador é conectado ao corpo do telescópio Webb.
Esta parte do instrumento MIRI, vista no Appleton Laboratory em Rutherford, Reino Unido, contém detectores infravermelhos. O crioresfriador está localizado longe do detector porque opera a uma temperatura mais alta.
O MIRI (esquerda) fica em uma trave de equilíbrio em Northrop Grumman em Redondo Beach enquanto os engenheiros se preparam para usar uma ponte rolante para conectá-la ao Módulo de Instrumento Científico Integrado (ISIM). O ISIM é o núcleo do Webb, os quatro instrumentos científicos que abrigam o telescópio.
Antes que o instrumento MIRI – um dos quatro instrumentos científicos no observatório – possa operar, ele deve ser resfriado até quase a temperatura mais fria que a matéria pode atingir.
O Telescópio Espacial James Webb da NASA, programado para ser lançado em 24 de dezembro, é o maior observatório espacial da história e tem uma tarefa igualmente assustadora: coletar luz infravermelha de cantos distantes do universo, permitindo que os cientistas investiguem a estrutura e as origens do universo. Nosso universo e nosso lugar nele.
Muitos objetos cósmicos — incluindo estrelas e planetas, e o gás e a poeira a partir dos quais eles se formam — emitem luz infravermelha, às vezes chamada de radiação térmica. Mas o mesmo acontece com a maioria dos outros objetos quentes, como torradeiras, humanos e eletrônicos. Isso significa que os quatro instrumentos infravermelhos do Webb podem detectar sua própria luz infravermelha. , ou MIRI, deve ficar mais frio: abaixo de 7 Kelvin (menos 448 graus Fahrenheit, ou menos 266 graus Celsius).
Isso é apenas alguns graus acima do zero absoluto (0 Kelvin) – a temperatura mais fria teoricamente possível, embora nunca seja fisicamente alcançável porque representa a completa ausência de qualquer calor. (No entanto, o MIRI não é o instrumento de imagem mais frio operando no espaço.)
A temperatura é essencialmente uma medida de quão rápido os átomos estão se movendo e, além de detectar sua própria luz infravermelha, os detectores Webb podem ser acionados por suas próprias vibrações térmicas.MIRI detecta luz em uma faixa de energia mais baixa do que os outros três instrumentos.Como resultado, seus detectores são mais sensíveis a vibrações térmicas.Esses sinais indesejados são o que os astrônomos chamam de "ruído" e podem sobrepujar os sinais fracos que Webb está tentando detectar.
Após o lançamento, o Webb implantará um visor do tamanho de uma quadra de tênis que protege o MIRI e outros instrumentos do calor do sol, permitindo que esfriem passivamente. Começando cerca de 77 dias após o lançamento, o crioresfriador do MIRI levará 19 dias para reduzir a temperatura dos detectores do instrumento para menos de 7 Kelvin.
“É relativamente fácil resfriar as coisas a essa temperatura na Terra, geralmente para aplicações científicas ou industriais”, disse Konstantin Penanen, especialista em crioresfriadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, no sul da Califórnia., que gerencia o instrumento MIRI para a NASA.”Mas esses sistemas baseados na Terra são muito volumosos e ineficientes em termos de energia.Para um observatório espacial, precisamos de um refrigerador que seja fisicamente compacto, eficiente em termos de energia e altamente confiável, porque não podemos sair e consertá-lo.Então, esses são os desafios que enfrentamos., a esse respeito, eu diria que os crioresfriadores MIRI estão definitivamente na vanguarda.”
Um dos objetivos científicos de Webb é estudar as propriedades das primeiras estrelas que se formaram no universo. A câmera infravermelha de Webb ou o instrumento NIRCam será capaz de detectar esses objetos extremamente distantes, e o MIRI ajudará os cientistas a confirmar que essas fracas fontes de luz são aglomerados de estrelas de primeira geração, em vez de estrelas de segunda geração que se formaram posteriormente na evolução de uma galáxia.
Ao olhar para nuvens de poeira que são mais espessas do que os instrumentos de infravermelho próximo, o MIRI revelará os locais de nascimento das estrelas.
“Combinando a experiência dos EUA e da Europa, desenvolvemos o MIRI como o poder do Webb, que permitirá aos astrônomos de todo o mundo responder a grandes questões sobre como as estrelas, planetas e galáxias se formam e evoluem”, disse Gillian Wright, colíder da equipe científica do MIRI e principal investigador europeu do instrumento no Centro de Tecnologia Astronômica do Reino Unido (UK ATC).
O crioresfriador MIRI usa gás hélio - suficiente para encher cerca de nove balões de festa - para afastar o calor dos detectores do instrumento. Dois compressores elétricos bombeiam hélio por um tubo que se estende até onde o detector está localizado. O tubo passa por um bloco de metal que também está preso ao detector;o hélio resfriado absorve o excesso de calor do bloco, mantendo a temperatura operacional do detector abaixo de 7 Kelvin. O gás aquecido (mas ainda frio) retorna ao compressor, onde expele o excesso de calor e o ciclo recomeça.Fundamentalmente, o sistema é semelhante ao usado em refrigeradores e condicionadores de ar domésticos.
Os tubos que transportam o hélio são feitos de aço inoxidável banhado a ouro e têm menos de um décimo de polegada (2,5 mm) de diâmetro. Ele se estende por cerca de 30 pés (10 metros) do compressor localizado na área do ônibus da espaçonave até o detector MIRI no elemento do telescópio óptico localizado atrás do espelho primário do observatório. instale o observatório armazenado na proteção no topo do foguete. Uma vez no espaço, a torre se estenderá para separar o ônibus da espaçonave em temperatura ambiente dos instrumentos do telescópio óptico mais frio e permitir que o guarda-sol e o telescópio sejam totalmente implantados.
Esta animação mostra a execução ideal da implantação do Telescópio Espacial James Webb horas e dias após o lançamento. A expansão da montagem central destacável da torre aumentará a distância entre as duas partes do MIRI. Elas são conectadas por tubos helicoidais com hélio resfriado.
Mas o processo de alongamento requer que o tubo de hélio seja estendido com o conjunto da torre expansível. Assim, o tubo se enrola como uma mola, e é por isso que os engenheiros do MIRI apelidaram essa parte do tubo de “Slinky”.
“Existem alguns desafios em trabalhar em um sistema que abrange várias regiões do observatório”, disse Analyn Schneider, gerente do programa JPL MIRI.“Essas diferentes regiões são lideradas por diferentes organizações ou centros, incluindo Northrop Grumman e o Goddard Space Flight Center da NASA dos EUA, temos que conversar com todos.Não há outro hardware no telescópio que precise fazer isso, então é um desafio exclusivo do MIRI.Definitivamente, tem sido uma longa fila para a estrada dos criocoolers MIRI, e estamos prontos para vê-lo no espaço.”
O Telescópio Espacial James Webb será lançado em 2021 como o principal observatório de ciência espacial do mundo. O Webb irá desvendar os mistérios do nosso sistema solar, observar mundos distantes ao redor de outras estrelas e explorar as misteriosas estruturas e origens do nosso universo e do nosso lugar. O Webb é uma iniciativa internacional liderada pela NASA e seus parceiros ESA (Agência Espacial Européia) e a Agência Espacial Canadense.
O MIRI foi desenvolvido por meio de uma parceria 50-50 entre a NASA e a ESA (Agência Espacial Europeia).JPL lidera o esforço dos EUA para o MIRI, e um consórcio multinacional de institutos astronômicos europeus contribui para a ESA.George Rieke, da Universidade do Arizona, é o líder da equipe científica do MIRI nos EUA.Gillian Wright é o chefe da equipe científica europeia do MIRI.
Alistair Glasse, da ATC, Reino Unido, é cientista de instrumentos MIRI e Michael Ressler é cientista de projetos dos EUA no JPL.Laszlo Tamas, do Reino Unido, ATC dirige a União Europeia.