Le refroidissement des instruments dans l’infrarouge moyen du télescope spatial Webb se poursuit

James Webb Space Telescope in Space Artist
Télescope spatial James Webb dans l'espace - Conception d'artiste

Cette conception d’artiste montre le télescope spatial James Webb entièrement déplié dans l’espace. Crédit : Adriana Manrique Gutierrez, animatrice de la NASA.

“L’instrument infrarouge moyen (MIRI) et les autres instruments du Webb se sont refroidis en rayonnant leur énergie thermique dans l’obscurité de l’espace pendant la majeure partie des trois derniers mois. Les instruments dans le proche infrarouge fonctionneront à environ 34 à 39 kelvins, en se refroidissant passivement. Mais les détecteurs de MIRI devront être encore plus froids pour pouvoir détecter les photons de plus grande longueur d’onde. C’est là qu’intervient le cryoréfrigérant de MIRI.

Le cryoréfrigérant des détecteurs MIRI

Par nécessité, les détecteurs de MIRI sont construits en utilisant une formulation spéciale de silicium dopé à l’arsenic (Si:As), qui doit être à une température inférieure à 7 kelvins pour fonctionner correctement. Cette température n’est pas possible par des moyens passifs seuls, c’est pourquoi Webb transporte un “cryocooler” qui est dédié au refroidissement des détecteurs de MIRI. Crédit : NASA/JPL-Caltech

“Au cours des deux dernières semaines, le refroidisseur cryogénique a fait circuler de l’hélium froid devant le banc optique de MIRI, ce qui a permis de le refroidir à environ 15 kelvins. Bientôt, le refroidisseur cryogénique va connaître les jours les plus difficiles de sa mission. En actionnant des vannes cryogéniques, le refroidisseur cryogénique redirigera l’hélium gazeux en circulation et le forcera à passer par une restriction de débit. En se dilatant à la sortie de la restriction, le gaz devient plus froid et peut alors amener les détecteurs MIRI à leur température de fonctionnement de moins de 7 kelvins. Mais d’abord, le refroidisseur cryogénique doit franchir le “point de pincement”, c’est-à-dire la transition entre une gamme de températures proches de 15 kelvins, lorsque la capacité du refroidisseur cryogénique à éliminer la chaleur est au plus bas. Plusieurs opérations de soupape et de compresseur critiques en termes de temps seront effectuées en succession rapide, ajustées comme indiqué par les mesures de température et de débit du cryoréfrigérant MIRI. Ce qui est particulièrement difficile, c’est qu’après la redirection du flux, la capacité de refroidissement s’améliore à mesure que la température baisse. D’un autre côté, si le refroidissement n’est pas immédiatement atteint en raison, par exemple, de charges thermiques plus importantes que celles modélisées, MIRI commencera à se réchauffer.

“Une fois que le refroidisseur cryogénique aura surmonté les charges thermiques restantes, il se stabilisera dans son état de fonctionnement scientifique stable à faible puissance pour le reste de la mission. Cet événement de point de pincement a été largement pratiqué dans le banc d’essai du cryorefroidisseur à ;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL), which manages the MIRI cryocooler, as well as during Webb testing at the agency’s Goddard Space Flight Center and Johnson Space Center. Performing it on orbit will be supported by the operations team comprised of personnel from JPL, Goddard, and the Space Telescope Science Institute. The MIRI cryocooler was developed by Northrop Grumman Space Systems. MIRI was developed as a 50/50 partnership between NASA and ESA (European Space Agency), with JPL leading the U.S. efforts and a multi-national consortium of European astronomical institutes contributing for ESA,” said Konstantin Penanen and Bret Naylor, cryocooler specialists, NASA JPL.

“MIRI stands out from Webb’s other instruments because it operates at much longer infrared wavelengths, compared to the other instruments that all begin with an ‘N’ for ‘near-infrared.’ MIRI will support the instrument suite to explore the infrared universe with depth and detail that are far beyond anything that has been available to astronomers to date.

“The imager promises to reveal astronomical targets ranging from nearby nebulae to distant interacting galaxies with a clarity and sensitivity far beyond what we’ve seen before. Our grasp on these glittering scientific treasures relies on MIRI being cooled to a temperature below the rest of the observatory, using its own dedicated refrigerator. Exoplanets at temperatures similar to Earth will shine most brightly in mid-infrared light. MIRI is therefore equipped with four coronagraphs, which have been carefully designed to detect such planets against the bright glare of their parent stars. The detailed colors of exo-giant planets (similar to our own Jupiter) can then be measured by MIRI’s two spectrometers to reveal chemical identities, abundances, and temperatures of the gases of their atmospheres (including water, ozone, methane, ammonia, and many more).

MIRI Is Inspected in Giant Clean Room

MIRI is inspected in the giant clean room at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, in 2012. Credit: NASA/Chris Gunn

“Why so cold? MIRI’s state-of-the-art light sensitive detectors that are tuned to work in the mid-infrared are blind unless they are cooled below 7 kelvins (-266 degrees Celsius, or -447 degrees Fahrenheit). For contrast, a standard domestic freezer cools its contents to about 255 kelvins (-18 degrees Celsius, or -0.7 degrees Fahrenheit). At higher temperatures, any signal that may be detected from the sky is lost beneath the signal from its own internally generated ‘dark current.’ Even if the detectors are cooled, Webb images would still be swamped by the glow of thermal infrared light emitted by MIRI’s own mirrors and aluminum structure if they are to get warmer than 15 kelvins (-258 degrees Celsius, or -433 degrees Fahrenheit). The engineering solution was to stand MIRI off from the instrument mounting structure behind Webb’s primary mirror like a high-tech metal spider on six carbon fiber legs. These insulate MIRI from the much hotter telescope (where 45 kelvins, or -228 degrees Celsius/-379 degrees Fahrenheit, qualifies as hotter). The instrument’s body is also swathed in a shiny aluminum-coated thermal blanket, which reflects the radiant heat of its surroundings.

“Getting this instrument cold is one of the last major challenges faced by Webb before the MIRI team can truly relax, and passing through the cooler’s ‘pinch point’ will be the most daunting step in this challenge. At that time, the cooler will have pulled out almost all of the heat left in MIRI’s 100 kilograms (220 pounds) of metal and glass from that tropical launch day morning, three months ago. MIRI will be the last of Webb’s four instruments to open its eyes on the universe,” said Alistair Glasse, Webb-MIRI Instrument Scientist, UK Astronomy Technology Centre and Macarena Garcia Marin, MIRI Instrument and Calibration Scientist, ESA.

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