Programado para su lanzamiento el 22 de diciembre, el telescopio espacial James Webb de la NASA es el observatorio espacial más grande de la historia, y tiene una tarea igualmente gigantesca: recolectar luz infrarroja de los rincones distantes del cosmos, lo que permite a los científicos sondear las estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él.
Muchos objetos cósmicos, incluidas las estrellas y los planetas, así como el gas y el polvo de donde se forman, emiten luz infrarroja, a veces llamada radiación de calor. Pero también lo hacen la mayoría de los otros objetos cálidos, como tostadoras, humanos y electrónicos. Eso significa que los cuatro instrumentos infrarrojos de Webb pueden detectar su propio brillo infrarrojo. Para reducir esas emisiones, los instrumentos tienen que estar muy fríos, alrededor de -233°C. Pero para funcionar correctamente, los detectores dentro del instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, tendrán que enfriarse aún más: -266°C.
Eso es solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (0 kelvin o -273,15°C), la temperatura más fría teóricamente posible, aunque nunca es físicamente alcanzable porque representa la ausencia total de calor. Sin embargo, MIRI no es el instrumento de imágenes más frío que jamás haya operado en el espacio.
La temperatura es esencialmente una medida de qué tan rápido se mueven los átomos y, además de detectar su propia luz infrarroja, los detectores Webb pueden activarse por sus propias vibraciones térmicas. MIRI detecta luz en un rango de menor energía que los otros tres instrumentos. Como resultado, sus detectores son aún más sensibles a las vibraciones térmicas. Estas señales no deseadas son lo que los astrónomos denominan “ruido” y pueden sobrepasar las débiles señales que Webb está tratando de detectar.
Después del lanzamiento, Webb desplegará un parasol del tamaño de una cancha de tenis que bloqueará MIRI y los otros instrumentos del calor del sol, permitiéndoles enfriarse pasivamente. A partir de unos 77 días después del lanzamiento, el crioenfriador de MIRI pasará 19 días bajando la temperatura de los detectores del instrumento a menos de 7 kelvin.
“Es relativamente fácil enfriar algo a esa temperatura en la Tierra, generalmente para aplicaciones científicas o industriales”, dijo Konstantin Penanen, especialista en crioenfriadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California, que administra el instrumento MIRI para la NASA. “Pero esos sistemas basados en la Tierra son muy voluminosos y energéticamente ineficientes. Para un observatorio espacial, necesitamos un enfriador que sea físicamente compacto, altamente eficiente en energía y tiene que ser altamente confiable porque no podemos salir a repararlo. Así que esos son los desafíos que enfrentamos y, en ese sentido, diría que el enfriador criogénico MIRI está sin duda a la vanguardia”.
Uno de los grandes objetivos científicos de Webb será estudiar las propiedades de la primera generación de estrellas que se formarán en el universo. La cámara de infrarrojo cercano de Webb, o el instrumento NIRCam, podrá detectar estos objetos extremadamente distantes, y el MIRI ayudará a los científicos a confirmar que estas débiles fuentes de luz son cúmulos de estrellas de primera generación, en lugar de estrellas de segunda generación que se forman más tarde como una galaxia evoluciona.
Al mirar a través de nubes de polvo aún más gruesas que los instrumentos del infrarrojo cercano, el MIRI revelará los lugares de nacimiento de las estrellas. También detectará moléculas que son comunes en la Tierra, como el agua, el dióxido de carbono y el metano, y las de minerales rocosos como los silicatos, en ambientes fríos alrededor de estrellas cercanas, donde pueden formarse planetas. Los instrumentos de infrarrojo cercano detectan mejor estas moléculas en forma de vapor en entornos mucho más cálidos, mientras que el MIRI puede verlas como hielos.
“Al combinar la experiencia de Estados Unidos y Europa, hemos desarrollado el MIRI como una capacidad poderosa para Webb que permitirá a los astrónomos de todo el mundo responder a grandes preguntas sobre cómo se forman y evolucionan las estrellas, los planetas y las galaxias”, dijo Gillian Wright, codirector del equipo científico del MIRI e investigador principal europeo del instrumento en el Centro de Tecnología de Astronomía del Reino Unido (ATC del Reino Unido).
El gran escalofrío
El crioenfriador MIRI utiliza gas helio, suficiente para llenar unos nueve globos de fiesta, para alejar el calor de los detectores del instrumento. Dos compresores eléctricos bombean el helio a través de un tubo que se extiende hasta donde se encuentran los detectores. El tubo pasa por un bloque de metal que también está unido a los detectores; el helio enfriado absorbe el exceso de calor del bloque de metal, que a su vez mantiene los detectores a su temperatura operativa por debajo de 7 kelvin. El gas calentado (pero todavía bastante frío) vuelve a los compresores, donde descarga el exceso de calor y el ciclo comienza de nuevo. Básicamente, el sistema es similar a los que se utilizan en los refrigeradores y acondicionadores de aire domésticos.
El tubo que transporta el helio está hecho de acero inoxidable recubierto de oro y mide menos de un 2,5 milímetros de diámetro. Se extiende unos 10 metros desde los compresores, ubicados en una región llamada bus de la nave espacial, hasta los detectores de MIRI, ubicados en el Elemento del Telescopio Óptico, detrás del espejo primario en forma de panal del observatorio. El hardware llamado Ensamblaje de torre desplegable, o DTA, conecta estas dos regiones. Cuando se empaca para su lanzamiento, el DTA se comprime, como un pistón, para ayudar a que el observatorio guardado encaje en la protección que viaja sobre el cohete. Una vez en el espacio, la torre se extenderá para separar el bus de la nave espacial a temperatura ambiente del Instrumento del Telescopio Óptico, mucho más frío, y para permitir que el parasol y el telescopio se desplieguen por completo. Pero el proceso de alargamiento requiere que el tubo de helio se extienda junto con el conjunto de torre desplegable. Así que el tubo está enrollado como un resorte, razón por la cual los ingenieros de MIRI apodaron esta parte del tubo como “Slinky”.
“Hubo un par de desafíos al trabajar en un sistema que abarca múltiples regiones del observatorio”, dijo Analyn Schneider, gerente de proyectos de MIRI en JPL. “Esas diferentes regiones están dirigidas por diferentes organizaciones o centros, incluidos Northrop Grumman y el Goddard Space Flight Center de la NASA, y tuvimos que interactuar con todos. No hay otro hardware en el telescopio que lo requiera, por lo que fue un desafío exclusivo de MIRI. Definitivamente ha sido un largo camino para el crioenfriador MIRI, y estamos listos para verlo funcionar en el espacio”.
Fuente: Phys.org.
