Інженери проводять «прийняття» інструменту середнього інфрачервоного діапазону космічного телескопа Джеймса Вебба в Центрі космічних польотів імені Годдарда NASA після вильоту з Великобританії.
Борттехніки JPL Джонні Мелендес (праворуч) і Джо Мора перевіряють кріоохолоджувач MIRI перед відправкою в Northrop Grumman в Редондо-Біч, штат Каліфорнія. Там охолоджувач прикріплюється до корпусу телескопа Webb.
Ця частина приладу MIRI, яку бачили в лабораторії Appleton в Резерфорді, Великобританія, містить інфрачервоні детектори. Кріоохолоджувач розташований подалі від детектора, оскільки він працює при вищій температурі. Трубка з холодним гелієм з’єднує дві секції.
MIRI (ліворуч) сидить на балансирі в Northrop Grumman у Редондо-Біч, поки інженери готуються використовувати мостовий кран, щоб прикріпити його до інтегрованого модуля наукових приладів (ISIM). ISIM є ядром Вебба, чотирма науковими інструментами, в яких розміщено телескоп.
Перш ніж інструмент MIRI — один із чотирьох наукових інструментів обсерваторії — зможе запрацювати, його потрібно охолодити майже до найнижчої температури, яку може досягти матерія.
Космічний телескоп NASA James Webb, запуск якого заплановано на 24 грудня, є найбільшою космічною обсерваторією в історії, і перед нею стоїть не менш складне завдання: збирати інфрачервоне світло з віддалених куточків Всесвіту, дозволяючи вченим досліджувати структуру та походження Всесвіту. Наш Всесвіт і наше місце в ньому.
Багато космічних об’єктів, включаючи зірки та планети, а також газ і пил, з яких вони утворюються, випромінюють інфрачервоне світло, яке іноді називають тепловим випромінюванням. Але також і більшість інших теплих об’єктів, як-от тостери, люди та електроніка. Це означає, що чотири інфрачервоні прилади Вебба можуть виявляти власне інфрачервоне світло. Щоб зменшити ці випромінювання, прилад має бути дуже холодним — близько 40 Кельвінів, або мінус 388 градусів за Фаренгейтом (мін. США 233 градуси за Цельсієм).Але щоб функціонувати належним чином, детектори всередині приладу середнього інфрачервоного діапазону, або MIRI, повинні охолоджуватися: нижче 7 Кельвінів (мінус 448 градусів за Фаренгейтом або мінус 266 градусів за Цельсієм).
Це всього лише кілька градусів вище абсолютного нуля (0 Кельвінів) – теоретично найнижча температура, хоча вона ніколи не може бути фізично досягнута, оскільки вона означає повну відсутність тепла. (Однак MIRI не є найхолоднішим приладом для обробки зображень, який працює в космосі.)
Температура, по суті, є показником того, наскільки швидко рухаються атоми, і окрім виявлення власного інфрачервоного світла, детектори Webb можуть запускатися своїми власними тепловими коливаннями. MIRI виявляє світло в нижчому діапазоні енергії, ніж інші три інструменти. У результаті його детектори більш чутливі до теплових коливань. Ці небажані сигнали астрономи називають «шумом», і вони можуть заглушити слабкі сигнали, які Webb намагається виявити.
Після запуску Webb розгорне козирок розміром з тенісний корт, який захищає MIRI та інші інструменти від сонячного тепла, дозволяючи їм пасивно охолоджуватися. Приблизно через 77 днів після запуску кріоохолоджувач MIRI потребуватиме 19 днів, щоб знизити температуру детекторів приладу до рівня нижче 7 Кельвінів.
«На Землі відносно легко охолодити речі до такої температури, часто для наукового чи промислового застосування», — сказав Костянтин Пенанен, експерт із кріоохолоджувачів у Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії., яка керує інструментом MIRI для НАСА. Але ці наземні системи дуже громіздкі та енергоефективні.Для космічної обсерваторії нам потрібен фізично компактний, енергоефективний охолоджувач, який має бути високонадійним, оскільки ми не можемо піти і полагодити його.Отже, це виклики, з якими ми стикаємося., у цьому відношенні я б сказав, що кріоохолоджувачі MIRI безумовно займають перше місце».
Однією з наукових цілей Вебба є вивчення властивостей перших зірок, які утворилися у Всесвіті. Камера ближнього інфрачервоного діапазону Вебба або інструмент NIRCam зможуть виявляти ці надзвичайно віддалені об’єкти, а MIRI допоможе вченим підтвердити, що ці слабкі джерела світла є скупченнями зірок першого покоління, а не зірок другого покоління, які утворилися пізніше в еволюції галактики.
Дивлячись на пилові хмари, які густіші, ніж інструменти ближнього інфрачервоного діапазону, MIRI виявить місця народження зірок. Він також виявить молекули, які зазвичай зустрічаються на Землі, такі як вода, вуглекислий газ і метан, а також молекули кам’янистих мінералів, таких як силікати, у прохолодному середовищі навколо найближчих зірок, де можуть утворюватися планети. Інструменти ближнього інфрачервоного діапазону краще виявляють ці молекули як пари у гарячому середовищі. , тоді як MIRI може бачити їх як лід.
«Об’єднавши американський і європейський досвід, ми розробили MIRI як силу Вебба, яка дозволить астрономам з усього світу відповісти на важливі питання про те, як формуються та еволюціонують зірки, планети та галактики», — сказала Джилліан Райт, співкерівник наукової групи MIRI та європейський головний дослідник інструменту Центру астрономічних технологій Великобританії (UK ATC).
Кріоохолоджувач MIRI використовує газоподібний гелій, якого достатньо, щоб наповнити приблизно дев’ять повітряних кульок, щоб відводити тепло від детекторів приладу. Два електричні компресори перекачують гелій через трубку, яка тягнеться до місця розташування детектора. Трубка проходить через металевий блок, який також прикріплений до детектора;охолоджений гелій поглинає надлишок тепла з блоку, підтримуючи робочу температуру детектора нижче 7 Кельвінів. Потім нагрітий (але все ще холодний) газ повертається до компресора, де він відводить надлишок тепла, і цикл починається знову. По суті, система подібна до тієї, що використовується в побутових холодильниках і кондиціонерах.
Труби, по яких транспортується гелій, виготовлені з позолоченої нержавіючої сталі та мають діаметр менше однієї десятої дюйма (2,5 мм). Вони простягаються приблизно на 30 футів (10 метрів) від компресора, розташованого в зоні шини космічного корабля, до детектора MIRI в елементі оптичного телескопа, розташованому за стільниковим головним дзеркалом обсерваторії. Апаратне забезпечення, яке називається розгортаємо баштою, або DTA, з’єднує дві зони. У упаковці для запуску DTA стискається, трохи схоже на поршень, щоб допомогти встановити прибрану обсерваторію в захист у верхній частині ракети. Після того, як у космосі, вежа буде розширена, щоб відокремити шину космічного корабля з кімнатною температурою від холодніших приладів оптичного телескопа та дозволити сонцезахисній шторі та телескопу повністю розгорнутись.
Ця анімація показує ідеальне виконання розгортання космічного телескопа Джеймса Вебба через години та дні після запуску. Розширення центральної вежі, що розгортається, збільшить відстань між двома частинами MIRI. Вони з’єднані спіральними трубками з охолодженим гелієм.
Але процес подовження вимагає, щоб гелієва трубка була подовжена за допомогою розширюваної вежі. Таким чином, трубка згортається, як пружина, тому інженери MIRI прозвали цю частину трубки «обтяжкою».
«У роботі над системою, яка охоплює кілька регіонів обсерваторії, є певні труднощі», — сказав Аналін Шнайдер, менеджер програми JPL MIRI.«Цими різними регіонами керують різні організації чи центри, включаючи Northrop Grumman і Центр космічних польотів імені Годдарда NASA США, ми повинні говорити з усіма.На телескопі немає іншого апаратного забезпечення, яке повинно робити це, тому це унікальне завдання для MIRI.Безумовно, це була довга черга на дорогу кріоохолоджувачів MIRI, і ми готові побачити це в космосі».
Космічний телескоп Джеймса Вебба буде запущений у 2021 році як головна у світі обсерваторія космічної науки. Вебб розгадає таємниці нашої Сонячної системи, шукатиме далекі світи навколо інших зірок і досліджуватиме таємничі структури та походження нашого Всесвіту та нашого місця. Вебб — це міжнародна ініціатива, яку очолюють NASA та його партнери ESA (Європейське космічне агентство) і Канадське космічне агентство.
MIRI було розроблено в рамках партнерства 50-50 між NASA та ESA (Європейське космічне агентство). JPL очолює зусилля США для MIRI, а багатонаціональний консорціум європейських астрономічних інститутів робить внесок у ESA. Джордж Ріке з Університету Арізони є керівником наукової групи MIRI у США. Джилліан Райт є головою європейської наукової групи MIRI.
Алістер Ґласс з ATC, Великобританія, є науковим співробітником MIRI Instrument Scientist, а Майкл Ресслер — науковим співробітником проекту США в JPL. Ласло Тамас з британського ATC відповідає за Європейський Союз. Розробкою кріоохолоджувача MIRI керувала JPL у співпраці з Центром космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд, і Northrop Grumman в Редондо-Біч, Каліфорнія.