Inženirji po odhodu iz Združenega kraljestva izvajajo "sprejemanje" srednjega infrardečega instrumenta vesoljskega teleskopa James Webb v Nasinem centru za vesoljske polete Goddard.
Letalska tehnika JPL Johnny Melendez (desno) in Joe Mora pregledata kriohladilnik MIRI, preden ga pošljeta podjetju Northrop Grumman v Redondo Beach v Kaliforniji. Tam je hladilnik pritrjen na telo teleskopa Webb.
Ta del instrumenta MIRI, viden v laboratoriju Appleton v Rutherfordu v Združenem kraljestvu, vsebuje infrardeče detektorje. Kriohladilnik je nameščen stran od detektorja, ker deluje pri višji temperaturi. Cev, ki prenaša hladen helij, povezuje oba dela.
MIRI (levo) sedi na tehtnici v Northrop Grummanu v Redondo Beachu, medtem ko se inženirji pripravljajo na uporabo mostnega žerjava, da ga pritrdijo na Integrirani modul znanstvenih instrumentov (ISIM). ISIM je Webbovo jedro, štirje znanstveni instrumenti, v katerih je nameščen teleskop.
Preden lahko instrument MIRI - eden od štirih znanstvenih instrumentov na observatoriju - deluje, ga je treba ohladiti na skoraj najnižjo temperaturo, ki jo snov lahko doseže.
Nasin vesoljski teleskop James Webb, ki naj bi ga izstrelili 24. decembra, je največji vesoljski observatorij v zgodovini in ima prav tako zastrašujočo nalogo: zbiranje infrardeče svetlobe iz oddaljenih kotičkov vesolja, kar znanstvenikom omogoča raziskovanje strukture in izvora vesolja. Naše vesolje in naše mesto v njem.
Številni kozmični predmeti – vključno z zvezdami in planeti ter plinom in prahom, iz katerih nastanejo – oddajajo infrardečo svetlobo, včasih imenovano tudi toplotno sevanje. Toda tudi večina drugih toplih predmetov, kot so opekači kruha, ljudje in elektronika. To pomeni, da lahko Webbovi štirje infrardeči instrumenti zaznajo lastno infrardečo svetlobo. Da bi zmanjšali te emisije, mora biti instrument zelo hladen – približno 40 Kelvinov ali minus 388 stopinj Fahrenheita (najmanj 233 stopinj Celzija). Toda za pravilno delovanje se morajo detektorji v srednjem infrardečem instrumentu ali MIRI ohladiti: pod 7 Kelvinov (minus 448 stopinj Fahrenheita ali minus 266 stopinj Celzija).
To je le nekaj stopinj nad absolutno ničlo (0 Kelvinov) – najnižja temperatura, ki je teoretično možna, čeprav fizično nikoli ni dosegljiva, ker predstavlja popolno odsotnost toplote. (Vendar MIRI ni najhladnejši instrument za slikanje, ki deluje v vesolju.)
Temperatura je v bistvu merilo, kako hitro se atomi gibljejo, in poleg zaznavanja lastne infrardeče svetlobe lahko Webbove detektorje sprožijo lastne toplotne vibracije. MIRI zaznava svetlobo v nižjem energijskem območju kot drugi trije instrumenti. Posledično so njegovi detektorji bolj občutljivi na toplotne vibracije. Te neželene signale astronomi imenujejo "šum" in lahko preglasijo šibke signale, ki jih poskuša zaznati Webb.
Po izstrelitvi bo Webb postavil vizir v velikosti teniškega igrišča, ki ščiti MIRI in druge instrumente pred sončno vročino in jim omogoča pasivno hlajenje. Približno 77 dni po izstrelitvi bo kriohladilnik MIRI potreboval 19 dni, da zniža temperaturo detektorjev instrumenta pod 7 Kelvinov.
"Na Zemlji je razmeroma enostavno ohladiti stvari na to temperaturo, pogosto za znanstvene ali industrijske namene," je povedal Konstantin Penanen, strokovnjak za kriohladilne naprave v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon v južni Kaliforniji., ki upravlja instrument MIRI za Naso.«Toda ti zemeljski sistemi so zelo zajetni in energetsko neučinkoviti.Za vesoljski observatorij potrebujemo hladilnik, ki je fizično kompakten, energetsko učinkovit in mora biti zelo zanesljiv, ker ga ne moremo iti ven in popraviti.To so torej izzivi, s katerimi se soočamo., glede tega bi rekel, da so kriohladilniki MIRI zagotovo v ospredju.«
Eden od Webbovih znanstvenih ciljev je preučevanje lastnosti prvih zvezd, ki so nastale v vesolju. Webbova bližnja infrardeča kamera ali instrument NIRCam bo lahko zaznal te izjemno oddaljene objekte, MIRI pa bo znanstvenikom pomagal potrditi, da so ti šibki viri svetlobe kopice zvezd prve generacije in ne zvezd druge generacije, ki so nastale pozneje v razvoju galaksije.
Z opazovanjem oblakov prahu, ki so debelejši od instrumentov v bližnjem infrardečem območju, bo MIRI razkril rojstna mesta zvezd. Zaznal bo tudi molekule, ki jih običajno najdemo na Zemlji – kot so voda, ogljikov dioksid in metan, pa tudi molekule kamnitih mineralov, kot so silikati – v hladnih okoljih okoli bližnjih zvezd, kjer se lahko oblikujejo planeti. Instrumenti v bližnjem infrardečem območju so boljši pri zaznavanju teh molekul kot hlapov v bolj vročem okolju. , medtem ko jih MIRI vidi kot led.
"Z združevanjem ameriškega in evropskega strokovnega znanja smo razvili MIRI kot moč Webba, ki bo astronomom z vsega sveta omogočil odgovoriti na velika vprašanja o tem, kako nastajajo in se razvijajo zvezde, planeti in galaksije," je povedala Gillian Wright, sovodja znanstvene skupine MIRI in evropski glavni raziskovalec za instrument v Astronomsko tehnološkem centru Združenega kraljestva (UK ATC).
Kriohladilnik MIRI uporablja plin helij – dovolj, da napolni približno devet balonov za zabave – za odvajanje toplote od detektorjev instrumenta. Dva električna kompresorja črpata helij skozi cev, ki se razteza do mesta, kjer se nahaja detektor. Cev poteka skozi kovinski blok, ki je prav tako pritrjen na detektor;ohlajeni helij absorbira odvečno toploto iz bloka in ohranja delovno temperaturo detektorja pod 7 Kelvini. Ogret (vendar še vedno hladen) plin se nato vrne v kompresor, kjer izloči odvečno toploto, in cikel se začne znova. V bistvu je sistem podoben tistemu, ki se uporablja v gospodinjskih hladilnikih in klimatskih napravah.
Cevi, ki prenašajo helij, so narejene iz pozlačenega nerjavečega jekla in imajo premer manj kot eno desetino palca (2,5 mm). Razteza se približno 30 čevljev (10 metrov) od kompresorja, ki se nahaja v območju avtobusa vesoljskega plovila, do detektorja MIRI v elementu optičnega teleskopa, ki se nahaja za glavnim zrcalom v obliki satja observatorija. Strojna oprema, imenovana nastavljivi sklop stolpa ali DTA, povezuje obe področji. Ko je zapakiran za izstrelitev je DTA stisnjen, nekoliko podoben batu, da pomaga pri namestitvi spravljenega observatorija v zaščito na vrhu rakete. Ko bo v vesolju, se bo stolp razširil, da bi ločil vodilo vesoljskega plovila s sobno temperaturo od hladnejših instrumentov optičnega teleskopa in omogočil, da se senčnik in teleskop popolnoma razporedita.
Ta animacija prikazuje idealno izvedbo namestitve vesoljskega teleskopa James Webb v urah in dneh po izstrelitvi. Razširitev osrednjega nastavljivega sklopa stolpa bo povečala razdaljo med obema deloma MIRI. Povezana sta s spiralnimi cevmi z ohlajenim helijem.
Toda postopek raztezanja zahteva, da se helijeva cev podaljša s sklopom raztegljivega stolpa. Tako se cev zvije kot vzmet, zato so inženirji MIRI ta del cevi poimenovali "Slinky".
"Obstaja nekaj izzivov pri delu na sistemu, ki zajema več regij observatorija," je povedala Analyn Schneider, vodja programa JPL MIRI.»Te različne regije vodijo različne organizacije ali centri, vključno z Northrop Grumman in ameriškim Nasinim centrom za vesoljske polete Goddard, moramo se pogovarjati z vsemi.Na teleskopu ni nobene druge strojne opreme, ki bi to morala storiti, zato je to izziv, edinstven za MIRI.Zagotovo je bila dolga vrsta za MIRI kriohladilno cesto in pripravljeni smo jo videti v vesolju.”
Vesoljski teleskop Jamesa Webba bo lansiran leta 2021 kot vodilni vesoljski znanstveni observatorij na svetu. Webb bo razvozlal skrivnosti našega sončnega sistema, pogledal v oddaljene svetove okoli drugih zvezd ter raziskoval skrivnostne strukture in izvor našega vesolja in našega kraja. Webb je mednarodna pobuda, ki jo vodijo NASA in njeni partnerji ESA (Evropska vesoljska agencija) in Kanadska vesoljska agencija.
MIRI je bil razvit s partnerstvom 50-50 med Naso in ESA (Evropsko vesoljsko agencijo). JPL vodi prizadevanja ZDA za MIRI, večnacionalni konzorcij evropskih astronomskih inštitutov pa prispeva k ESA. George Rieke z Univerze v Arizoni je vodja ameriške znanstvene ekipe MIRI. Gillian Wright je vodja evropske znanstvene ekipe MIRI.
Alistair Glasse iz ATC, Združeno kraljestvo, je znanstvenik za instrumente MIRI, Michael Ressler pa ameriški projektni znanstvenik pri JPL. Laszlo Tamas iz britanskega ATC vodi Evropsko unijo. Razvoj kriohladilnika MIRI je vodil in upravljal JPL v sodelovanju z Nasinim centrom za vesoljske polete Goddard v Greenbeltu v Marylandu in Northropom Grummanom v Redondo Beachu v Kaliforniji.