Teleskop Jamese Webba je vybaven čtveřicí vědeckých přístrojů, které budou pozorovat vesmír především v infračervené části spektra s lehkým přesahem do okraje viditelné části. Mezi těmito čtyřmi přístroji má jedinečné místo přístroj MIRI (Mid-Infrared Instrument), který se zaměří na odlišné vlnové délky než tři zbývající přístroje. S tím ale souvisí také různé technologické výzvy, které dokáží nejlépe popsat odborníci, kteří tento přístroj připravovali. Na webu NASA nedávno vyšel velmi srozumitelně sepsaný článek, který společně sepsali Konstantin Penanen, Bret Naylor (specialisté na kryochlazení z NASA JPL), Alistair Glasse (vědec z britského astronomického střediska, který se podílí na přístroji MIRI) a Macarena Garcia Marin (vědec z ESA, který má na starost přístroj MIRI a jeho kalibrace). Níže najdete překlad jejich článku.

Přístroj MIRI společně s dalšími přístroji na JWST po většinu času z uplynulých tří měsíců pomalu chladnul tím, že vyzařoval svou tepelnou energii do temného vesmíru. Přístroje pracující v takzvané blízké infračervené oblasti, které budou pracovat při teplotách 34 – 39 kelvinů (-239 až -235 °C), chladnou pasivně. Ovšem detektory přístroje MIRI se musí ochladit ještě více, aby mohly pozorovat fotony s větší vlnovou délkou. Právě proto je tu kryochladič přístroje MIRI.

Detektory přístroje MIRI jsou vyrobeny z velmi přesně definované materilu, kterým je arsenem dopovaný křemík. Ke svému správnému provozu potřebují teploty nižší než 7 kelvinů. Této teploty není možné dosáhnout pouze pasivním chlazením. Proto má přístroj MIRI svůj vlastní kryochladič, který je určen k chlazení jeho detektorů.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

V průběhu minulých týdnů zajišťoval kryochladič proudění chladného plynného helia kolem optické lavice přístroje MIRI, aby ji ochladil na zhruba 15 kelvinů (-258 °C). Již brzy se kryochladič dočká své zatím největší výzvy. Vydáním pokynu pro kryogenní ventily dojde v kryochladiči k přesměrování proudícího plynného helia, které bude nuceno procházet skrz omezovač průtoku. Tím, jak se plyn rozepne při opuštění tohoto omezovače, dojde k jeho ochlazení. Helium tak bude moci ochladit detektory přístroje MIRI na jejich provozní teplotu pod 7 kelviny (-266 °C). Ještě předtím ale musí kryochladič překonat takzvaný „pinch point“. Jde o přechodovou fázi při teplotách kolem 15 kelvinů, ve které je schopnost kryochladiče odebírat teplo nejnižší. V rychlém sledu proběhne několik časově citlivých kroků spojených s vydáním pokynů pro ventily a kompresor, přičemž vše bude doladěno na míru podle údajů o teplotě a průtoků z kryochladiče. Největší výzvou je, že po přesměrování toku se schopnost chlazení zlepší díky nižší teplotě média. Ovšem na druhou stranu je potřeba pamatovat na to, že pokud by nebylo dosaženo okamžitého chlazení, třeba vinou větších než modelovaných teplotních zátěží, by se přístroj MIRI mohl začít ohřívat.

Průřez chladícím systémem JWST
Zdroj: http://www2.jpl.nasa.gov/

Jakmile kryochladič překoná zbývající tepelnou zátěž, usadí se na nízkoenergetickém stavu stabilního vědeckého provozu, ve kterém by měl zůstat po zbytek mise. Pinch point jsme pečlivě trénovali na experimentální jednotce kryochladiče, která se nachází v Jet Propulsion Laboratory. Právě JPL spravuje celý kryochladič MIRI. Při testech jsme vycházeli ze zkušeností nasbíraných při zkouškách Webbova teleskopu v Goddardově a Johnsonově středisku. Ostré kroky provedené na letovém hardwaru v kosmickém prostoru bude provádět tým expertů z JPL, Goddardova střediska, ale i ze Space Telescope Science Institute. Kryochladič přístroje MIRI postavili odborníci z firmy Northrop Grumman a samotný přístroj MIRI vznikl v rámci spolupráce mezi NASA a ESA. Středisko JPL přitom vedlo americký podíl, na straně Evropy zase šlo o vícenárodnostní konsorcium evropských astronomických institucí.

Přístroj MIRI
Zdroj: http://sci.esa.int/

MIRI se od ostatních přístrojů na Webbově teleskopu výrazně liší, protože pracuje na mnohem delších vlnových délkách. Názvy všech ostatních přístrojů začínají písmenem N, což znamená near-infrared, tedy blízká infračervená oblast. MIRI vhodně doplní přístrojové vybavení k průzkumu infračerveného vesmíru při hloubce a detailech, které jsou mnohem lepší, než cokoliv, co měli astronomové doposud k dispozici.

MIRI slibuje, že odhalí různé astronomické cíle – od blízkých mlhovin až po vzdálené vzájemně interagující galaxie s jasností a citlivostí daleko přesahující vše, co jsme dosud viděli. Náš pohled na tyto vědecké poklady stojí na tom, že přístroj MIRI bude ochlazován na teplotu nižší než zbytek observatoře s pomocí své vlastní speciální ledničky. Exoplanety o teplotách podobných Zemi budou nejjasněji zářit ve střední infračervené oblasti. MIRI je proto vybaven čtyřmi koronografy, které byly pečlivě navrženy tak, aby dokázaly zaznamenat tyto planety v oslepující záři jejich mateřských hvězd. Podrobné barvy těchto exoplanetárních obrů (podobných třeba našemu Jupiteru) budou moci být změřeny pomocí dvou spektrometrů na palubě MIRI, které odhalí chemické složení, množstevní zastoupení a teploty plynů v jejich atmosférách včetně vody, ozonu, metanu, čpavku a mnoha dalších.

Inspekce přístroje MIRI v čisté místnosti Goddardova střediska v marylandském Greenbeltu v roce 2012.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

A proč musí být přístroj MIRI tak studený? Jeho špičkové na záření citlivé detektory jsou naladěny tak, aby pracovaly se středním infračerveným zářením, jsou doslova slepé, dokud se neochladí na teplotu nižší než 7 kelvinů. Pro lepší představu domácí lednička s mrazákem většinou chladí svůj obsah na teplotu zhruba 255 kelvinů. Při vyšších teplotách se každý signál, který by mohl být na pozorované scéně detekován, ztrácí za signály, které jsou v detektorech generovány a označují se jako „temný proud“. Dokonce i když jsou detektory ochlazeny, byly by snímky přeexponovány září tepelného infračerveného záření, které by vydávala zrcadla přístroje MIRI a jeho hliníkové struktury, pokud by byly teplejší než 15 kelvinů. Řešením bylo oddělit MIRI od struktury, na kterou se připojují přístroje JWST. Vznikl tak high-tech metalický pavouk se šesticí nohou z uhlíkových vláken. Ty mají za úkol izolovat MIRI od mnohem teplejšího teleskopu (ano, v těchto podmínkách se i teplota 45 kelvinů (tedy -228°C) považuje za „mnohem teplejší“). Tělo přístroje je také zabaleno do lesklé vrstvy pokryté hliníkem, která odráží pryč tepelné záření z okolí.

Ochlazení tohoto přístroje je jednou z posledních výzev, která ještě musí být splněna, aby si mohl pozemní tým zodpovědný za MIRI opravdu oddychnout. Přechod přes zmíněný pinch point bude nejnáročnějším krokem této výzvy. V tuto chvíli už chladič vytáhl téměř všechno teplo, které zbývalo ve 100 kilogramech kovu a skla z tropického rána v den startu před třemi měsíci. MIRI se také stane posledním přístrojem na JWST, který otevře své oči vesmíru.

Přeloženo z:
https://blogs.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://webb.nasa.gov/images/miri.jpg
https://blogs.nasa.gov/…/27433983430_dea7b20d7f_o-1024×678.jpg
http://www2.jpl.nasa.gov/adv_tech/coolers/Cool_art/JWSTMIRI.GIF
http://sci.esa.int/science-e-media/img/a1/10EC3777_MIRI_alignment_testing_orig.jpg
https://blogs.nasa.gov/…/7338266148_b2006ac341_o-1024×752.jpg