Các kỹ sư tiến hành "nghiệm thu" thiết bị hồng ngoại trung bình của Kính viễn vọng Không gian James Webb tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA sau khi khởi hành từ Vương quốc Anh.
Các kỹ thuật viên chuyến bay của JPL Johnny Melendez (phải) và Joe Mora kiểm tra bộ làm mát lạnh MIRI trước khi chuyển nó đến Northrop Grumman ở Redondo Beach, California. Ở đó, bộ làm mát được gắn vào thân của kính viễn vọng Webb.
Phần này của thiết bị MIRI, được nhìn thấy tại Phòng thí nghiệm Appleton ở Rutherford, Vương quốc Anh, có chứa các máy dò hồng ngoại. Bộ làm mát lạnh được đặt cách xa máy dò vì nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Một ống mang khí helium lạnh nối hai phần.
MIRI (trái) ngồi trên một thanh cân bằng tại Northrop Grumman ở Redondo Beach khi các kỹ sư chuẩn bị sử dụng cần cẩu trên cao để gắn nó vào Mô-đun thiết bị khoa học tích hợp (ISIM). ISIM là cốt lõi của Webb, bốn thiết bị khoa học chứa kính thiên văn.
Trước khi thiết bị MIRI — một trong bốn thiết bị khoa học trên đài thiên văn — có thể hoạt động, nó phải được làm lạnh đến nhiệt độ gần như lạnh nhất mà vật chất có thể đạt tới.
Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA, dự kiến ​​phóng vào ngày 24 tháng 12, là đài quan sát không gian lớn nhất trong lịch sử và nó có một nhiệm vụ khó khăn không kém: thu thập ánh sáng hồng ngoại từ các góc xa xôi của vũ trụ, cho phép các nhà khoa học thăm dò cấu trúc và nguồn gốc của vũ trụ. Vũ trụ của chúng ta và vị trí của chúng ta trong đó.
Nhiều vật thể vũ trụ — bao gồm các ngôi sao và hành tinh, cũng như khí và bụi mà chúng hình thành — phát ra ánh sáng hồng ngoại, đôi khi được gọi là bức xạ nhiệt. Nhưng hầu hết các vật thể ấm khác, như lò nướng bánh, con người và thiết bị điện tử cũng vậy. Điều đó có nghĩa là bốn thiết bị hồng ngoại của Webb có thể phát hiện ánh sáng hồng ngoại của chính chúng. Để giảm lượng phát xạ này, thiết bị phải ở nhiệt độ rất lạnh—khoảng 40 Kelvin, hoặc âm 388 độ F (âm 233 độ C). Nhưng để hoạt động bình thường, các máy dò bên trong thiết bị hồng ngoại trung bình, hoặc MIRI, phải trở nên lạnh hơn: dưới 7 Kelvin (âm 448 độ F, hoặc âm 266 độ C).
Đó chỉ là một vài độ trên độ không tuyệt đối (0 Kelvin) – nhiệt độ lạnh nhất có thể về mặt lý thuyết, mặc dù nhiệt độ này không bao giờ có thể đạt được về mặt vật lý vì nó thể hiện sự vắng mặt hoàn toàn của bất kỳ nhiệt nào. (Tuy nhiên, MIRI không phải là thiết bị hình ảnh lạnh nhất hoạt động trong không gian.)
Nhiệt độ về cơ bản là thước đo tốc độ di chuyển của các nguyên tử và ngoài việc phát hiện ánh sáng hồng ngoại của chính chúng, các máy dò Webb có thể được kích hoạt bởi các rung động nhiệt của chính chúng. MIRI phát hiện ánh sáng ở dải năng lượng thấp hơn ba thiết bị còn lại. Kết quả là các máy dò của nó nhạy hơn với các rung động nhiệt. Các tín hiệu không mong muốn này là cái mà các nhà thiên văn học gọi là "nhiễu" và chúng có thể lấn át các tín hiệu yếu ớt mà Webb đang cố gắng phát hiện.
Sau khi ra mắt, Webb sẽ triển khai một tấm che có kích thước bằng sân tennis để che chắn MIRI và các thiết bị khác khỏi sức nóng của mặt trời, cho phép chúng làm mát một cách thụ động. Bắt đầu khoảng 77 ngày sau khi ra mắt, bộ làm mát lạnh của MIRI sẽ mất 19 ngày để giảm nhiệt độ của các thiết bị dò của thiết bị xuống dưới 7 Kelvin.
Konstantin Penanen, một chuyên gia về máy làm mát lạnh tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California, cho biết: “Việc làm mát mọi thứ xuống nhiệt độ đó trên Trái đất tương đối dễ dàng, thường là cho các ứng dụng khoa học hoặc công nghiệp., công ty quản lý công cụ MIRI cho NASA.”Nhưng những hệ thống trên Trái đất đó rất cồng kềnh và không hiệu quả về năng lượng.Đối với đài quan sát không gian, chúng tôi cần một bộ làm mát nhỏ gọn về mặt vật lý, tiết kiệm năng lượng và phải có độ tin cậy cao vì chúng tôi không thể ra ngoài và sửa chữa nó.Vì vậy, đây là những thách thức chúng ta phải đối mặt., về mặt đó, tôi có thể nói rằng máy làm mát lạnh MIRI chắc chắn đi đầu.”
Một trong những mục tiêu khoa học của Webb là nghiên cứu đặc tính của những ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ. Máy ảnh cận hồng ngoại hoặc thiết bị NIRCam của Webb sẽ có thể phát hiện những vật thể ở rất xa này và MIRI sẽ giúp các nhà khoa học xác nhận rằng những nguồn sáng yếu này là những cụm sao thế hệ thứ nhất, chứ không phải là những ngôi sao thế hệ thứ hai hình thành sau này trong quá trình tiến hóa của thiên hà.
Bằng cách quan sát các đám mây bụi dày hơn các thiết bị cận hồng ngoại, MIRI sẽ tiết lộ nơi sinh của các ngôi sao. Nó cũng sẽ phát hiện các phân tử thường thấy trên Trái đất — chẳng hạn như nước, carbon dioxide và mê-tan, cũng như các phân tử của khoáng chất đá như silicat — trong môi trường mát mẻ xung quanh các ngôi sao gần đó, nơi các hành tinh có thể hình thành. Các thiết bị cận hồng ngoại tốt hơn trong việc phát hiện các phân tử này dưới dạng hơi trong môi trường nóng hơn, trong khi MIRI có thể nhìn thấy chúng dưới dạng băng.
“Bằng cách kết hợp chuyên môn của Hoa Kỳ và Châu Âu, chúng tôi đã phát triển MIRI thành sức mạnh của Webb, cho phép các nhà thiên văn học từ khắp nơi trên thế giới trả lời những câu hỏi lớn về cách các ngôi sao, hành tinh và thiên hà hình thành và phát triển,” Gillian Wright, Đồng trưởng nhóm khoa học MIRI và Nhà nghiên cứu chính của Châu Âu cho công cụ tại Trung tâm Công nghệ Thiên văn Vương quốc Anh (UK ATC) cho biết.
Máy làm mát lạnh MIRI sử dụng khí heli—đủ để lấp đầy khoảng chín quả bóng bay—để mang nhiệt ra khỏi máy dò của thiết bị. Hai máy nén điện bơm khí heli qua một ống kéo dài đến nơi đặt máy dò. Ống này chạy qua một khối kim loại cũng được gắn vào máy dò;khí heli được làm mát sẽ hấp thụ nhiệt dư thừa từ khối, giữ cho nhiệt độ hoạt động của máy dò dưới 7 Kelvin. Khí được làm nóng (nhưng vẫn lạnh) sau đó quay trở lại máy nén, nơi nó thải nhiệt dư thừa ra ngoài và chu trình lại bắt đầu. Về cơ bản, hệ thống này tương tự như hệ thống được sử dụng trong tủ lạnh và máy điều hòa không khí gia đình.
Các ống dẫn khí heli được làm bằng thép không gỉ mạ vàng và có đường kính chưa đến 1/10 inch (2,5 mm). Nó kéo dài khoảng 30 feet (10 mét) từ máy nén nằm trong khu vực xe buýt của tàu vũ trụ đến máy dò MIRI trong phần tử kính viễn vọng quang học nằm phía sau gương chính dạng tổ ong của đài quan sát. Phần cứng được gọi là cụm tháp có thể triển khai, hay DTA, kết nối hai khu vực. Khi được đóng gói để phóng, DTA được nén, hơi giống pít-tông, để giúp lắp đặt thiết bị được xếp gọn đài quan sát thành lớp bảo vệ trên đỉnh tên lửa. Khi ở trong không gian, tòa tháp sẽ mở rộng để tách xe buýt tàu vũ trụ ở nhiệt độ phòng khỏi các thiết bị kính viễn vọng quang học mát hơn và cho phép tấm che nắng và kính thiên văn triển khai hoàn toàn.
Hình ảnh động này cho thấy quá trình thực hiện lý tưởng của việc triển khai Kính viễn vọng Không gian James Webb hàng giờ và hàng ngày sau khi phóng. Việc mở rộng cụm tháp có thể triển khai trung tâm sẽ tăng khoảng cách giữa hai phần của MIRI. Chúng được nối với nhau bằng các ống xoắn ốc làm mát bằng khí heli.
Nhưng quá trình kéo dài đòi hỏi phải kéo dài ống helium bằng cụm tháp có thể mở rộng. Vì vậy, ống cuộn lại giống như lò xo, đó là lý do tại sao các kỹ sư MIRI đặt biệt danh cho phần này của ống là "Slinky".
Analyn Schneider, giám đốc chương trình JPL MIRI cho biết: “Có một số thách thức khi làm việc trên một hệ thống trải rộng trên nhiều khu vực của đài quan sát.“Các khu vực khác nhau này được lãnh đạo bởi các tổ chức hoặc trung tâm khác nhau, bao gồm cả Northrop Grumman và Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA Hoa Kỳ, chúng tôi phải nói chuyện với mọi người.Không có phần cứng nào khác trên kính thiên văn cần làm điều đó, vì vậy đây là một thách thức duy nhất đối với MIRI.Đó chắc chắn là một chặng đường dài cho con đường làm mát bằng nhiệt lạnh MIRI và chúng tôi đã sẵn sàng để nhìn thấy nó trong không gian.”
Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ ra mắt vào năm 2021 với tư cách là đài quan sát khoa học vũ trụ hàng đầu thế giới. Webb sẽ làm sáng tỏ những bí ẩn về hệ mặt trời của chúng ta, quan sát các thế giới xa xôi xung quanh các ngôi sao khác, đồng thời khám phá các cấu trúc và nguồn gốc bí ẩn của vũ trụ cũng như vị trí của chúng ta. Webb là một sáng kiến ​​quốc tế do NASA và các đối tác ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu) và Cơ quan Vũ trụ Canada dẫn đầu.
MIRI được phát triển thông qua quan hệ đối tác 50-50 giữa NASA và ESA (Cơ quan Vũ trụ Châu Âu). JPL dẫn đầu nỗ lực của Hoa Kỳ cho MIRI và một tập đoàn đa quốc gia gồm các viện thiên văn Châu Âu đóng góp cho ESA. George Rieke của Đại học Arizona là trưởng nhóm khoa học Hoa Kỳ của MIRI. Gillian Wright là trưởng nhóm khoa học Châu Âu của MIRI.
Alistair Glasse của ATC, Vương quốc Anh là Nhà khoa học thiết bị MIRI và Michael Ressler là Nhà khoa học dự án Hoa Kỳ tại JPL.