Madrid Deep Space Communications Complex

Con su lanzamiento programado para 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 permitirá a los científicos estudiar 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 objetos cálidos, como tostadoras, humanos y objetos electrónicos. Es por ello 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 menos 233 grados Celsius. Pero para funcionar correctamente, los detectores dentro del instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, tendrán que enfriarse aún más: a menos 266 grados Celsius.

Lo que supone solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (0 kelvins), la temperatura más fría teóricamente posible, que nunca se puede alcanzar físicamente porque representa la ausencia total de calor. (Aun así, MIRI no es el instrumento de imágenes más frío que opere en el espacio).

La temperatura es básicamente una medida de la velocidad a la que se mueven los átomos y, los detectores Webb pueden activarse por detectar su propia luz infrarroja, además de 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 ensuciar las débiles señales que Webb tratará de detectar.

Después del lanzamiento, Webb desplegará un parasol del tamaño de una cancha de tenis que aislará a MIRI y a los otros instrumentos del calor del sol, permitiéndoles enfriarse pasivamente. Aproximadamente 77 días después del lanzamiento, el refrigerador criogénico de MIRI pasará 19 días bajando la temperatura de los detectores del instrumento hasta 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 Jet Propulsion Laboratory de la NASA en el sur de California, que administra el instrumento MIRI para la NASA. “Pero esos sistemas ​​en la Tierra son muy voluminosos y energéticamente ineficientes. Para un observatorio espacial, necesitamos un enfriador que sea físicamente compacto, de alta eficiencia energética y que sea muy fiable, porque no podemos salir a repararlo. Así que esos son los desafíos que enfrentamos y, en ese sentido, diría que el enfriador criogénico de 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 formaron en el universo. La Near-Infrared Camera de Webb, o instrumento NIRCam, podrá detectar estos objetos extremadamente distantes, y 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 formaron más tarde con la evolución de las galaxias.

Al observar a través de nubes gruesas de polvo, MIRI revelará los lugares del 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 MIRI puede verlas como hielos.

“Al combinar la experiencia de Estados Unidos y Europa, hemos desarrollado 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, planetas y galaxias”, dijo Gillian Wright, codirector del equipo científico MIRI e investigador europeo principal del instrumento en el UK Astronomy Technology Centre (UK ATC).

El crioenfriador MIRI utiliza helio (en cantidad como para llenar unos nueve globos de fiesta) para alejar el calor de los detectores del instrumento. Dos compresores eléctricos bombearán 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 absorberá 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) volverá a los compresores, donde descargará el exceso de calor y el ciclo comenzará 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 2,5 milímetros de diámetro. Tiene una longitud de 10 metros desde los compresores hasta los detectores de MIRI, ubicados en el elemento del telescopio óptico, detrás del espejo primario del observatorio. El hardware llamado Deployable Tower Assembly, o DTA, conecta estas dos regiones. Cuando se empaquetó para su lanzamiento, el DTA se comprimió, como un pistón, para ayudar a que el observatorio plegado encajara en la protección que viaja en el cohete. Una vez en el espacio, la torre se extenderá para permitir que el parasol y el telescopio se desplieguen por completo.

Pero el proceso de extensión requiere que el tubo de helio se desplace junto con el conjunto de la torre desplegable. Entonces, el tubo estará enrollado como un resorte, razón por la cual los ingenieros de MIRI apodaron esta parte del tubo como “Slinky”.

“Hubo un par de retos al trabajar en un sistema que abarca múltiples regiones del observatorio”, dijo Analyn Schneider, gerente de proyectos de MIRI en el 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 requiera eso, por lo que fue un desafío exclusivo de MIRI. Definitivamente ha sido un largo camino para el refrigerador criogénico MIRI, y estamos listos para verlo funcionar en el espacio”.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance la próxima semana. Webb resolverá misterios de nuestro sistema solar, observará planetas distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en el. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus colaboradores, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

MIRI se desarrolló a través de una asociación al 50% entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). JPL lidera los trabajos de E.E.U.U. para MIRI, y un consorcio multinacional de institutos astronómicos europeos contribuye a la ESA. George Rieke, de la Universidad de Arizona, es el líder del equipo científico de MIRI en E.E.U.U., Gillian Wright es líder del equipo científico europeo MIRI.

Noticia original (en inglés)