วิศวกรดำเนินการ "ยอมรับ" เครื่องมืออินฟราเรดกลางของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA หลังจากเดินทางออกจากสหราชอาณาจักร
ช่างเทคนิคการบินของ JPL จอห์นนี่ เมเลนเดซ (ขวา) และโจ โมรา ตรวจสอบเครื่องทำความเย็น MIRI ก่อนส่งไปยัง Northrop Grumman ในเรดอนโดบีช แคลิฟอร์เนีย ที่นั่น เครื่องทำความเย็นติดอยู่กับตัวกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์
ส่วนนี้ของเครื่องมือ MIRI ซึ่งพบที่ Appleton Laboratory ในรัทเทอร์ฟอร์ด สหราชอาณาจักร มีเครื่องตรวจจับอินฟราเรด เครื่องทำความเย็นแบบแช่แข็งอยู่ห่างจากเครื่องตรวจจับเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า ท่อที่มีฮีเลียมเย็นที่บรรจุฮีเลียมเย็นเชื่อมต่อทั้งสองส่วน
MIRI (ซ้าย) นั่งอยู่บนคานทรงตัวที่ Northrop Grumman ใน Redondo Beach ขณะที่วิศวกรเตรียมใช้เครนเหนือศีรษะเพื่อต่อเข้ากับโมดูลเครื่องมือวิทยาศาสตร์แบบบูรณาการ (ISIM) ISIM คือแกนกลางของ Webb ซึ่งเป็นเครื่องมือวิทยาศาสตร์สี่ชิ้นที่เป็นที่เก็บกล้องโทรทรรศน์
ก่อนที่เครื่องมือ MIRI ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่เครื่องมือวิทยาศาสตร์บนหอดูดาวจะทำงานได้ จะต้องทำให้เย็นลงจนเกือบถึงอุณหภูมิที่เย็นที่สุดที่สสารจะไปถึงได้
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ของนาซาซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในวันที่ 24 ธันวาคม เป็นหอดูดาวอวกาศที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ และมีภารกิจที่น่ากลัวพอๆ กัน นั่นคือการรวบรวมแสงอินฟราเรดจากมุมอันไกลโพ้นของเอกภพ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบโครงสร้างและต้นกำเนิดของเอกภพ เอกภพของเราและสถานที่ของเราในนั้น
วัตถุในจักรวาลจำนวนมาก — รวมถึงดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ ตลอดจนก๊าซและฝุ่นที่พวกมันก่อตัวขึ้น — ปล่อยแสงอินฟราเรด ซึ่งบางครั้งเรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน แต่วัตถุที่ให้ความอบอุ่นอื่น ๆ ส่วนใหญ่ก็เช่นเดียวกัน เช่น เครื่องปิ้งขนมปัง มนุษย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นั่นหมายความว่าเครื่องมืออินฟราเรดทั้งสี่ของ Webb สามารถตรวจจับแสงอินฟราเรดของตัวเองได้ เพื่อลดการปล่อยรังสีเหล่านี้ เครื่องมือจะต้องเย็นมาก ประมาณ 40 เคลวิน หรือ -388 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 233 องศาเซลเซียส) แต่เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง เครื่องมืออินฟราเรดหรือ MIRI จะต้องเย็นลง: ต่ำกว่า 7 เคลวิน (ลบ 448 องศาฟาเรนไฮต์ หรือลบ 266 องศาเซลเซียส)
นั่นเป็นเพียง 2-3 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ (0 เคลวิน) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดตามทฤษฎีที่เป็นไปได้ แม้ว่าจะไม่สามารถเข้าถึงได้ทางกายภาพก็ตาม เนื่องจากอุณหภูมิดังกล่าวแสดงถึงการไม่มีความร้อนโดยสิ้นเชิง (อย่างไรก็ตาม MIRI ไม่ใช่เครื่องมือถ่ายภาพที่เย็นที่สุดที่ทำงานในอวกาศ)
โดยพื้นฐานแล้ว อุณหภูมิเป็นตัวชี้วัดความเร็วของอะตอม และนอกเหนือจากการตรวจจับแสงอินฟราเรดของพวกมันเอง เครื่องตรวจจับของ Webb ยังสามารถกระตุ้นได้ด้วยการสั่นสะเทือนทางความร้อนของพวกมันเอง MIRI ตรวจจับแสงในช่วงพลังงานที่ต่ำกว่าเครื่องมืออีกสามชนิด ผลก็คือ เครื่องตรวจจับของมันไวต่อการสั่นสะเทือนของความร้อนมากกว่า สัญญาณที่ไม่ต้องการเหล่านี้เป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า "สัญญาณรบกวน" และพวกมันสามารถครอบงำสัญญาณจางๆ ที่ Webb พยายามตรวจจับได้
หลังจากเปิดตัว Webb จะใช้กระบังหน้าขนาดเท่าสนามเทนนิสที่ป้องกัน MIRI และเครื่องมืออื่นๆ จากความร้อนของดวงอาทิตย์ โดยปล่อยให้พวกมันเย็นลงเรื่อยๆ เริ่มประมาณ 77 วันหลังจากเปิดตัว เครื่องทำความเย็นของ MIRI จะใช้เวลา 19 วันในการลดอุณหภูมิของเครื่องตรวจจับเครื่องมือให้ต่ำกว่า 7 เคลวิน
Konstantin Penanen ผู้เชี่ยวชาญด้านความเย็นด้วยความเย็นจากห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion ของ NASA ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้กล่าวว่า "ค่อนข้างง่ายที่จะทำให้สิ่งต่าง ๆ บนโลกเย็นลงจนถึงอุณหภูมินั้น บ่อยครั้งสำหรับการใช้งานทางวิทยาศาสตร์หรืออุตสาหกรรมซึ่งจัดการเครื่องมือ MIRI ให้กับ NASA” แต่ระบบที่ใช้ Earth เหล่านั้นมีขนาดใหญ่มากและไม่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสำหรับหอดูดาวในอวกาศ เราต้องการเครื่องทำความเย็นที่มีขนาดกะทัดรัด ประหยัดพลังงาน และต้องมีความน่าเชื่อถือสูงเพราะเราไม่สามารถออกไปซ่อมได้นี่คือความท้าทายที่เราเผชิญในเรื่องนั้น ฉันจะบอกว่า MIRI cryocoolers อยู่ในระดับแนวหน้าอย่างแน่นอน”
หนึ่งในเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ของ Webb คือการศึกษาคุณสมบัติของดาวฤกษ์ดวงแรกที่ก่อตัวขึ้นในเอกภพ กล้องอินฟราเรดใกล้หรือเครื่องมือ NIRCam ของ Webb จะสามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ไกลแสนไกลเหล่านี้ได้ และ MIRI จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าแหล่งกำเนิดแสงจางๆ เหล่านี้คือกระจุกของดาวฤกษ์รุ่นแรก แทนที่จะเป็นดาวฤกษ์รุ่นที่สองที่ก่อตัวขึ้นภายหลังวิวัฒนาการของดาราจักร
เมื่อดูที่เมฆฝุ่นที่หนากว่าเครื่องมืออินฟราเรดย่านใกล้ MIRI จะเปิดเผยแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ นอกจากนี้ยังจะตรวจจับโมเลกุลที่พบได้ทั่วไปบนโลก เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเธน ตลอดจนโมเลกุลของแร่ธาตุหิน เช่น ซิลิเกต ในสภาพแวดล้อมที่เย็นรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียง ซึ่งดาวเคราะห์อาจก่อตัวขึ้น เครื่องมืออินฟราเรดใกล้จะตรวจจับโมเลกุลเหล่านี้เป็นไอได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่ร้อนกว่า ในขณะที่ MIRI สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นน้ำแข็ง
Gillian Wright หัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ MIRI และ European Principal Investigator สำหรับเครื่องมือที่ศูนย์เทคโนโลยีดาราศาสตร์แห่งสหราชอาณาจักร (UK ATC) กล่าวว่า "ด้วยการรวมความเชี่ยวชาญของสหรัฐฯ และยุโรปเข้าด้วยกัน เราได้พัฒนา MIRI ให้เป็นพลังของ Webb ซึ่งจะช่วยให้นักดาราศาสตร์จากทั่วโลกสามารถตอบคำถามใหญ่ๆ
เครื่องทำความเย็นแบบ MIRI ใช้ก๊าซฮีเลียม ซึ่งเพียงพอที่จะเติมลูกโป่งปาร์ตี้ประมาณ 9 ลูก เพื่อนำความร้อนออกจากเครื่องตรวจจับของอุปกรณ์ เครื่องอัดไฟฟ้า 2 เครื่องจะปั๊มก๊าซฮีเลียมผ่านท่อที่ต่อไปยังตำแหน่งของเครื่องตรวจจับ ท่อจะไหลผ่านบล็อกโลหะที่ติดอยู่กับเครื่องตรวจจับเช่นกันฮีเลียมที่เย็นลงจะดูดซับความร้อนส่วนเกินจากบล็อก ทำให้อุณหภูมิการทำงานของเครื่องตรวจจับต่ำกว่า 7 เคลวิน จากนั้นก๊าซที่ร้อน (แต่ยังคงเย็นอยู่) จะกลับไปที่คอมเพรสเซอร์ เพื่อไล่ความร้อนส่วนเกินออก และวงจรจะเริ่มทำงานอีกครั้ง โดยพื้นฐานแล้ว ระบบจะคล้ายกับที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศในครัวเรือน
ท่อที่ขนส่งฮีเลียมทำจากสแตนเลสเคลือบทองและมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 ใน 10 นิ้ว (2.5 มม.) ท่อจะยาวประมาณ 30 ฟุต (10 เมตร) จากคอมเพรสเซอร์ที่อยู่ในพื้นที่บัสของยานอวกาศไปยังเครื่องตรวจจับ MIRI ในองค์ประกอบกล้องโทรทรรศน์ออปติคัลที่อยู่ด้านหลังกระจกปฐมภูมิแบบรังผึ้งของหอดูดาว ฮาร์ดแวร์ที่เรียกว่า Deployable Tower Assembly หรือ DTA เชื่อมต่อพื้นที่ทั้งสอง เมื่อบรรจุเพื่อปล่อย DTA จะถูกบีบอัดให้มีลักษณะเหมือนลูกสูบเล็กน้อยเพื่อ ช่วยติดตั้งหอดูดาวที่เก็บไว้ในการป้องกันด้านบนของจรวด เมื่ออยู่ในอวกาศ หอคอยจะขยายเพื่อแยกบัสยานอวกาศอุณหภูมิห้องออกจากเครื่องมือกล้องโทรทรรศน์ออปติกที่เย็นกว่า และอนุญาตให้ม่านบังแดดและกล้องโทรทรรศน์ใช้งานได้เต็มที่
แอนิเมชันนี้แสดงการใช้งานตามอุดมคติของการติดตั้งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์เป็นเวลาหลายชั่วโมงและหลายวันหลังจากเปิดตัว การขยายตัวของชุดประกอบหอคอยส่วนกลางที่ปรับใช้ได้จะเพิ่มระยะห่างระหว่างสองส่วนของ MIRI พวกมันเชื่อมต่อกันด้วยท่อเกลียวที่มีฮีเลียมระบายความร้อน
แต่กระบวนการยืดออกจำเป็นต้องต่อท่อฮีเลียมด้วยชุดหอคอยที่ขยายได้ ดังนั้นท่อจะขดเหมือนสปริง ซึ่งเป็นสาเหตุที่วิศวกรของ MIRI ตั้งชื่อเล่นส่วนนี้ของท่อว่า "สลิงกี้"
Analyn Schneider ผู้จัดการโครงการ JPL MIRI กล่าวว่า "มีความท้าทายบางอย่างในการทำงานกับระบบที่ครอบคลุมหลายภูมิภาคของหอดูดาว“ภูมิภาคต่างๆ เหล่านี้นำโดยองค์กรหรือศูนย์ต่างๆ รวมถึง Northrop Grumman และศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของ NASA ของสหรัฐฯ เราต้องพูดคุยกับทุกคนไม่มีฮาร์ดแวร์อื่นใดในกล้องโทรทรรศน์ที่จำเป็นต้องดำเนินการดังกล่าว ดังนั้นจึงเป็นความท้าทายที่ MIRI ไม่เหมือนใครถนน MIRI cryocoolers นั้นยาวมาก และเราพร้อมที่จะเห็นมันในอวกาศแล้ว”
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์จะเปิดตัวในปี 2564 ในฐานะหอดูดาวด้านวิทยาศาสตร์อวกาศชั้นนำของโลก Webb จะไขความลึกลับของระบบสุริยะของเรา มองหาโลกที่ห่างไกลรอบดาวดวงอื่น และสำรวจโครงสร้างลึกลับและต้นกำเนิดของจักรวาลของเราและสถานที่ของเรา Webb เป็นความคิดริเริ่มระดับนานาชาติที่นำโดย NASA และพันธมิตร ESA (European Space Agency) และ Canadian Space Agency
MIRI ได้รับการพัฒนาผ่านความร่วมมือ 50-50 ระหว่าง NASA และ ESA (European Space Agency) JPL เป็นผู้นำในความพยายามของสหรัฐสำหรับ MIRI และสมาคมข้ามชาติของสถาบันดาราศาสตร์ยุโรปมีส่วนร่วมใน ESA George Rieke แห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนาเป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ของ MIRI ในสหรัฐ Gillian Wright เป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ในยุโรปของ MIRI
Alistair Glasse จาก ATC สหราชอาณาจักรเป็น MIRI Instrument Scientist และ Michael Ressler เป็นนักวิทยาศาสตร์โครงการของสหรัฐอเมริกาที่ JPL Laszlo Tamas จาก ATC ของสหราชอาณาจักรรับผิดชอบสหภาพยุโรป การพัฒนา MIRI cryocooler นั้นเป็นผู้นำและบริหารจัดการโดย JPL โดยความร่วมมือกับ Goddard Space Flight Center ของ NASA ในเมือง Greenbelt รัฐ Maryland และ Northrop Grumman ใน Redondo Beach รัฐแคลิฟอร์เนีย