主动冷却的中红外望远镜在太空中窥视

  詹姆斯·韦伯太空望远镜利用坚固耐用的机械冷却器管理其中红外探测器的热噪声和暗电流，以提供无与伦比的灵敏度，并如工程师所希望的那样，延长任务寿命。

       JAMES SCHLETT，特约编辑 JSCHLETT180@GMAIL.COM

  当欧洲航天局 (ESA) 的赫歇尔空间天文台发现宇宙中的恒星形成尘埃比以前认为的要丰富得多时，正在开发一种新的中红外空间仪器的工程师们意识到他们的项目的潜力已经扩大。据天文学教授 George Rieke 介绍，该天文台配备远红外相机和低至 55 μm 波长的低分辨率光谱仪，使科学家能够发现大量红移极高的尘埃星系（图 1）。图森亚利桑那大学的行星科学和行星科学。美国宇航局的斯皮策太空望远镜及其多波段成像光度计 (MIPS)，在 24 微米处，后来到达了星系恒星形成达到顶峰的大部分时期，即大爆炸后约 25 亿年。

图 1.赫歇尔参考调查中包含的星系拼贴图，这是当地宇宙中最大的宇宙尘埃普查。由欧洲航天局提供。

  尘埃和携带它的星际气体云为早期恒星形成提供了线索。在去年 12 月成功发射后，詹姆斯韦伯太空望远镜现在将通过其中红外仪器 (MIRI) 深入和超越尘埃。

       “我们肯定想用我们的 21 微米波段更深入地记录即使是小星系如何加热它们的尘埃，最重要的是，在斯皮策地图中获得关于红外发射星系的更详细信息，”Rieke 说，他也是MIRI 的科学团队领导美国宇航局喷气推进实验室 (JPL)。这些更详细的信息将帮助研究人员确定这些星系中有多少是由活跃的星系核而不是恒星驱动的。

       “赫歇尔和陆基亚毫米望远镜，特别是南极望远镜，表明尘土飞扬的星系时代可以追溯到大爆炸后的十亿年。这并没有直接影响 MIRI 的设计，但将在观测中发挥重要作用，”Rieke 说。“例如，MIRI 将获得这些星系的光谱，以了解其恒星群的状态以及它们的供电方式。”

研究第一个星系

  当 Webb 发射时（图 2），它将前所未有的红外传感器库带入太空。它将追溯到 135 亿年前，并确定大爆炸后的第一个星系，不仅揭示了星系是如何组装的，而且揭示了尘埃云中行星系统的诞生。重量是哈勃太空望远镜的两倍，配备 6.5 米的镜子，7.2 吨的红外优化韦伯是美国宇航局最大的轨道望远镜。

图 2。詹姆斯韦伯太空望远镜从阿丽亚娜 5 号发射器升空。由 NASA 戈达德太空飞行中心和 ESA 相机/房地产经纪人太空系统工程公司提供。

  对于第一个星系的研究，韦伯依靠 MIRI（图 3）和三个近红外仪器——亚利桑那大学的 NIR 相机、ESA 的 NIR 光谱仪，以及精细引导传感器/NIR 成像仪和无缝隙光谱仪。加拿大航天局。

图 3.中红外仪器 (MIRI) 安装在 NASA 戈达德航天中心的 Webb 上。由诺斯罗普·格鲁曼公司提供。

       MIRI 的欧洲首席研究员 Gillian Wright 说：“MIRI 的数据对于更好地了解在第一批恒星形成后星系是如何演化的非常重要，并且 [将] 显示是否有超大质量黑洞吸积了埋在尘埃云中心的物质。” “MIRI 还可能显示早期宇宙中我们还不知道的事物，因为宇宙在中红外波长相对未被探索。这类发现的一个例子来自赫歇尔，他发现了在哈勃图像中看不到的尘土飞扬的星系。MIRI 将用于研究这些尘土飞扬的星系，使用光谱学更详细地了解它们的性质。”

中红外灵敏度

  韦伯不是第一个带有 MIR 仪器有效载荷的太空望远镜。早期的 MIR 太空望远镜包括 1983 年发射的红外天文卫星；红外空间天文台，1995 年；JPL 的 MIRI 项目科学家 Michael Ressler 说，MIRI 与其前辈并没有根本不同，而是建立在他们的成功之上。Webb 中的 1-MP 探测器针对非常集中、极其敏感的观察进行了优化。MIRI 具有锐利的光学元件和光谱仪，光谱分辨率与其前代产品一样高，但灵敏度更高（图 4）。MIRI 有一个低温冷却器，可以保证更长的使用寿命。

图 4. RAL Space 洁净室环境温度校准测试期间的 MIRI。由科学技术设施委员会提供。

       MIRI 的概念规划始于 1997 年。Wright 说，在美国和欧洲的平行研究支持了可以在 MIR 范围内进行的“惊人科学”之后，MIRI 于 2002 年被确认执行该任务。与将 MIRI 冷却至 7 K（-448 oF 或 -266 oC）相关的复杂性促使 JPL 和 ESA 之间建立了 50-50 的开发合作伙伴关系，以利用之前 IR 任务（如 Spitzer 和 Herschel）的知识和经验。

  虽然 Herschel 的远红外相机非常适合观察被星光加热到绝对零以上几度的宇宙尘埃，但 MIRI 的波长将能够穿透尘埃云和一些简单的分子，如甲烷。“这使得 MIRI 的能力对科学很重要，从研究原恒星及其周围的原行星盘、系外行星的能量平衡、系外行星大气的化学、进化恒星的质量损失、活动星系核中心黑洞周围的核环面，到早期宇宙中的星系演化，”赖特说。

冷却延长使用寿命

       Webb 的汞-镉-碲 (HgCdTe) NIR 仪器的工作波长范围为 0.6 至 5 μm。MIRI 在高达 28 μm 的情况下工作。MIRI 的探测器是基于硅/砷的。“从砷原子中敲出一个电子只需要很少的能量，”Rieke 说，“将它们放入硅中可以让我们在标准硅基电子产品的背景下做到这一点。这对于制作我们的探测器阵列至关重要。它们可以达到 28 μm，并在合理的集成时间（例如 20 分钟）内检测低至每秒一个光子或更短的信号。”

  然而，更长的波长需要更冷的工作温度，赖特说。低于 15 K 的结构工作温度可防止 MIRI 结构的热辐射被基于硅/砷的探测器检测到。探测器的暗电流将极限推至 7 K 以下。综合这些因素，MIRI 的首选工作温度为 6.4 K。这比韦伯的 NIR 仪器的要求低 6 倍，后者因太空寒冷而被动冷却，在网球场大小的遮阳板的帮助下。

      “与[探测器]相关的热能释放出大量自由电子，我们的电子设备会拾取这些电子，这会让我们完全看不到我们想要看到的光子，”Rieke 说。

  尽管 MIRI 的低温冷却器将运行温度推至几乎绝对为零，但该系统并不是在太空中飞行的最冷系统。Hershel 的较长红外波长需要 1.7 K 的工作温度，这是在具有超流氦的低温恒温器中实现的。斯皮策的望远镜冷却到 5.5 K，它的中红外探测器在 6 到 6.2 K 的温度下工作。我们的前辈，”雷斯勒说。例如，赫歇尔的任务寿命为四年，斯皮策的寿命为五年半。MIRI 预计将工作约 20 年。

       MIRI 强大的低温冷却器可以追溯到 1990 年代，当时 JPL 启动了一项开发用于空间应用的长寿命、低功率冷却器的计划。JPL 工程师最初设想使用液氢杜瓦瓶冷却 MIRI，但他们选择了机械冷却器（图 5 和图 6）。

图 5.对位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼航空航天系统公司设施的低温冷却器进行检查。由 NASA/JPL-Caltech 提供。

图 6. MIRI 的低温冷却器。由 NASA/JPL-Caltech 提供。

      “从那时起最大的挑战出现了，因为冷却器的压缩机必须在航天器中并且是温暖的，但冷却必须在望远镜的寒冷环境中输送到仪器和探测器，”Rieke 说。

  他将低温冷却器比作普通冰箱，其中气体被压缩并通过管道输送到冷头。“不同之处在于，冷头对我们来说离压缩机很远，并且允许泄漏的热量必须很小，否则事情不会变冷。这个挑战有点像如果你想用厨房冰箱里的压缩机来冷却车库里冰箱里的东西。你必须付出很多努力来隔离用于将压缩气体从厨房输送到车库的管道。”

圣诞大结局

  韦伯于圣诞节早上 4 点 20 分从法属圭亚那库鲁的阿丽亚娜 5 号火箭发射升空，望远镜开始了为期 29 天、百万英里的旅程，前往第二个拉格朗日点 (L2)，赫歇尔也飞到了第二个拉格朗日点 (L2) （图 7）。

图 7. Webb 与 Ariane 5 发射器分离后。由 NASA/JPL-Caltech 提供。

  雷斯勒称那天早上是“完美的一天”。他和家人在家里观看了 NASA 电视台的活动，每个人都穿着睡衣，喝着桦树啤酒庆祝。“经过 24 年的努力，终于看到 [Webb] 发射真是一种巨大的解脱，当 Ariane Stage 2 助推器上的摄像机捕捉到 [Webb] 在地球周围和平航行时，真是令人心酸。”