Инженеры проводят «приемку» прибора среднего инфракрасного диапазона космического телескопа Джеймса Уэбба в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА после вылета из Великобритании.
Борттехники JPL Джонни Мелендес (справа) и Джо Мора осматривают криокулер MIRI перед его отправкой в ​​Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Там охладитель прикреплен к корпусу телескопа Webb.
Эта часть прибора MIRI, которую можно увидеть в лаборатории Appleton в Резерфорде, Великобритания, содержит инфракрасные детекторы. Криоохладитель расположен вдали от детектора, поскольку он работает при более высокой температуре. Две секции соединяет трубка с холодным гелием.
MIRI (слева) сидит на бревне в Northrop Grumman в Редондо-Бич, пока инженеры готовятся использовать мостовой кран, чтобы прикрепить его к Интегрированному модулю научных инструментов (ISIM). ISIM — это ядро ​​Webb, четыре научных инструмента, в которых находится телескоп.
Прежде чем прибор MIRI — один из четырех научных инструментов обсерватории — сможет работать, его необходимо охладить почти до самой низкой температуры, которую может достичь материя.
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 24 декабря, является крупнейшей космической обсерваторией в истории, и перед ней стоит не менее сложная задача: собирать инфракрасный свет из отдаленных уголков Вселенной, позволяя ученым исследовать структуру и происхождение Вселенной. Наша Вселенная и наше место в ней.
Многие космические объекты, в том числе звезды и планеты, а также газ и пыль, из которых они образуются, излучают инфракрасный свет, который иногда называют тепловым излучением. Но то же самое делают и большинство других теплых объектов, таких как тостеры, люди и электроника. Это означает, что четыре инфракрасных прибора Уэбба могут обнаруживать собственный инфракрасный свет. -Инфракрасный прибор, или МИРИ, должен стать холоднее: ниже 7 Кельвинов (минус 448 градусов по Фаренгейту, или минус 266 градусов по Цельсию).
Это всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (0 градусов по Кельвину) — теоретически возможная самая низкая температура, хотя физически она никогда не достижима, потому что представляет собой полное отсутствие тепла (однако MIRI — не самый холодный прибор для визуализации, работающий в космосе).
Температура — это, по сути, мера того, насколько быстро движутся атомы, и в дополнение к обнаружению собственного инфракрасного света детекторы Уэбба могут срабатывать по их собственным тепловым колебаниям. MIRI обнаруживает свет в более низком диапазоне энергий, чем три других прибора. В результате его детекторы более чувствительны к тепловым колебаниям. Эти нежелательные сигналы астрономы называют «шумом», и они могут подавить слабые сигналы, которые пытается обнаружить Уэбб.
После запуска Уэбб развернет козырек размером с теннисный корт, который защитит MIRI и другие инструменты от солнечного тепла, позволяя им пассивно охлаждаться. Примерно через 77 дней после запуска криокулеру MIRI потребуется 19 дней, чтобы снизить температуру детекторов прибора до уровня ниже 7 Кельвинов.
«Охладить до такой температуры на Земле относительно легко, часто для научных или промышленных целей», — сказал Константин Пенанен, эксперт по криогенным охладителям в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии., которая управляет прибором MIRI для НАСА». Но эти наземные системы очень громоздки и неэффективны с точки зрения энергии.Для космической обсерватории нам нужен физически компактный, энергоэффективный кулер, который должен быть очень надежным, потому что мы не можем пойти и починить его.Таковы проблемы, с которыми мы сталкиваемся., в этом отношении я бы сказал, что криокулеры MIRI определенно находятся на переднем крае».
Одной из научных целей Уэбба является изучение свойств первых звезд, сформировавшихся во Вселенной. Камера Уэбба ближнего инфракрасного диапазона или инструмент NIRCam смогут обнаруживать эти чрезвычайно далекие объекты, а MIRI поможет ученым подтвердить, что эти слабые источники света представляют собой скопления звезд первого поколения, а не звезд второго поколения, которые образовались позже в ходе эволюции галактики.
Изучая пылевые облака, которые толще, чем приборы ближнего инфракрасного диапазона, MIRI покажет места рождения звезд. Он также обнаружит молекулы, обычно встречающиеся на Земле, такие как вода, углекислый газ и метан, а также молекулы каменистых минералов, таких как силикаты, в прохладной среде вокруг ближайших звезд, где могут образовываться планеты.
«Объединив опыт США и Европы, мы разработали MIRI как мощь Webb, которая позволит астрономам со всего мира ответить на важные вопросы о том, как звезды, планеты и галактики формируются и развиваются», — сказала Джиллиан Райт, соруководитель научной группы MIRI и главный европейский исследователь инструмента в Центре астрономических технологий Великобритании (UK ATC).
В криокулерах MIRI используется газообразный гелий — его достаточно для заполнения примерно девяти воздушных шаров — для отвода тепла от детекторов прибора. Два электрических компрессора перекачивают гелий по трубке, которая доходит до места расположения детектора. Трубка проходит через металлический блок, который также прикреплен к детектору;охлажденный гелий поглощает избыточное тепло из блока, поддерживая рабочую температуру детектора ниже 7 Кельвинов. Затем нагретый (но все еще холодный) газ возвращается в компрессор, где вытесняет избыточное тепло, и цикл начинается снова. Принципиально система аналогична той, что используется в бытовых холодильниках и кондиционерах.
Трубы, по которым проходит гелий, изготовлены из позолоченной нержавеющей стали и имеют диаметр менее одной десятой дюйма (2,5 мм). Они простираются примерно на 30 футов (10 метров) от компрессора, расположенного в зоне автобуса космического корабля, до детектора MIRI в элементе оптического телескопа, расположенного за сотовым главным зеркалом обсерватории. Аппаратное обеспечение, называемое сборкой развертываемой башни, или DTA, соединяет две области. , чтобы помочь установить убранную обсерваторию в защиту на вершине ракеты. В космосе башня выдвинется, чтобы отделить шину космического корабля с комнатной температурой от более холодных инструментов оптического телескопа и позволить солнцезащитному козырьку и телескопу полностью раскрыться.
Эта анимация показывает идеальное выполнение развертывания космического телескопа Джеймса Уэбба через несколько часов и дней после запуска. Расширение центральной сборки развертываемой башни увеличит расстояние между двумя частями MIRI. Они соединены спиральными трубками с охлаждаемым гелием.
Но процесс удлинения требует, чтобы гелиевая трубка была расширена с помощью расширяемой сборки башни. Таким образом, трубка скручивается как пружина, поэтому инженеры MIRI прозвали эту часть трубки «Slinky».
«При работе над системой, охватывающей несколько областей обсерватории, возникают некоторые проблемы, — сказал Аналин Шнайдер, руководитель программы JPL MIRI.«Эти разные регионы руководят разными организациями или центрами, в том числе Northrop Grumman и Центром космических полетов имени Годдарда НАСА США, мы должны поговорить со всеми.На телескопе нет другого оборудования, которое должно было бы это делать, так что это уникальная задача для MIRI.Очередь на криокулеры MIRI определенно была длинной, и мы готовы увидеть ее в космосе».
Космический телескоп Джеймса Уэбба будет запущен в 2021 году как главная в мире обсерватория космических наук. Уэбб будет разгадывать тайны нашей Солнечной системы, смотреть на далекие миры вокруг других звезд и исследовать таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места. Уэбб — это международная инициатива, возглавляемая НАСА и его партнерами ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством.
MIRI был разработан в рамках партнерства 50-50 между НАСА и ЕКА (Европейское космическое агентство). Лаборатория реактивного движения (JPL) возглавляет усилия США по созданию MIRI, а многонациональный консорциум европейских астрономических институтов вносит свой вклад в ЕКА. Джордж Рике из Аризонского университета является руководителем научной группы MIRI в США. Джиллиан Райт возглавляет европейскую научную группу MIRI.
Алистер Гласс из ATC, Великобритания, является научным сотрудником MIRI Instrument Scientist, а Майкл Ресслер является научным сотрудником США по проектам в JPL. Ласло Тамас из UK ATC отвечает за Европейский Союз. Разработка криокулера MIRI возглавлялась и управлялась JPL в сотрудничестве с Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния.