NIRSpec - NIRSpec

Спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне
NIRSpec Astrium.jpg
Прибор NIRSpec в чистой комнате Astrium в Оттобрунне, Германия
Тип миссииАстрономия
ОператорЕКА с участием НАСА
Интернет сайтЕКА Европа
Astrium Германия
НАСА Соединенные Штаты
Продолжительность миссии5 лет (дизайн)
10 лет (цель)
Свойства космического корабля
ПроизводительAstrium
Стартовая масса196 кг (432 фунта)[1]
Начало миссии
Дата запуска30 марта 2021 г. (по плану)[2]
РакетаКак часть JWST на борту Ариана 5
Запустить сайтКуру ELA-3
ПодрядчикArianespace
Главный телескоп
ТипСпектрограф
Длины волн0.6 мкм (апельсин ) к 5,0 мкм (ближний инфракрасный )
 

В NIRSpec (Спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне) является одним из четырех научных приборов, которые будут летать на Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).[3] JWST - это следующая миссия на Космический телескоп Хаббла (HST) и разработан для получения дополнительной информации о происхождении Вселенной путем наблюдения инфракрасный свет от первых звезд и галактик. По сравнению с HST, его инструменты позволят заглянуть в прошлое и изучить так называемые Темные времена в течение которого Вселенная была непрозрачной, примерно через 150-800 миллионов лет после Большой взрыв.

Инструмент NIRSpec - многообъектный спектрограф и может одновременно измерять ближний инфракрасный спектр до 100 объектов, таких как звезды или галактики с низким, средним и высоким спектральным разрешением. Наблюдения проводятся в 3-х arcmin Поле зрения × 3 угл.мин в диапазоне длин волн от 0,6 мкм до 5,0 мкм. Он также имеет набор щелей и апертуру для высококонтрастной спектроскопии отдельных источников, а также блок интегрального поля (IFU) для 3D. спектроскопия.[4]Инструмент является вкладом Европейское космическое агентство (ESA) и построен Astrium вместе с группой европейских субподрядчиков.[5]

Обзор

Инфографика приборов JWST и их диапазоны наблюдения света по длине волны

Основные научные темы JWST:[6]

Прибор NIRSpec работает при температуре -235 ° C и пассивно охлаждается холодным пространством. радиаторы которые установлены на интегрированном модуле научных приборов JWST (ISIM). Радиаторы подключаются к NIRSpec с помощью теплопроводящих нагревательных лент. Крепления для зеркал и опорная пластина оптического стола изготовлены из Карбид кремния керамический SiC100. Размер инструмента примерно 1900 мм × 1400 мм × 700 мм и весит 196 кг (432 фунта), включая 100 кг карбида кремния. Работа прибора осуществляется с помощью трех электронных ящиков.

NIRSpec включает 4 механизма:

  • Узел колеса фильтра (FWA) - 8 позиций, несущий 4 длиннопроходных фильтра для науки, 2 широкополосных фильтра для обнаружения цели, одно закрытое и одно открытое положение
  • Узел механизма перефокусировки (RMA) - несущий 2 зеркала для перефокусировки инструмента
  • Узел Micro Shutter Assembly (MSA) - для многообъектной спектроскопии, но также несущий фиксированные щели и апертуру IFU
  • Узел решетки-колеса (GWA) - 8 позиций, несущий 6 решеток и одну призму для науки и одно зеркало для обнаружения цели

Кроме того, NIRSpec включает в себя две электрооптические сборки:

  • Калибровочная сборка (CAA) - несущая 11 источников освещения и интегрирующую сферу; для внутренней спектральной калибровки и калибровки в плоском поле
  • Сборка фокальной плоскости (FPA) - включает фокальную плоскость, которая состоит из 2 сборок сенсорных чипов.
Калибровочная сборка, один из компонентов прибора NIRSpec, который станет частью космического телескопа Джеймса Уэбба, в Университетский колледж Лондона до интеграции.

И, наконец, слайсер изображений Integral Field Unit (IFU), используемый в режиме IFU прибора.

Оптический путь представлен следующим Карбид кремния сборки зеркал:

  • Узел Coupling Optics Assembly, который направляет свет от телескопа JWST в NIRSpec
  • передняя оптика TMA (FOR) - обеспечивает промежуточную фокальную плоскость для MSA.
  • Collimator Optics TMA (COL) - коллимация света на рассеивающий элемент решетчатого колеса
  • Camera Optics TMA (CAM) - который, наконец, отображает спектры на детекторе

Научные цели

  • Конец темных веков - первый свет и реионизация:[4] Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRS) со спектральным разрешением около 100 и 1000 для изучения первых источников света (звезд, галактик и активных ядер), которые отмечают начало фазы реионизации Вселенной, которая, как считается, происходит между красными смещениями 15-14 и 6.[7]
  • Сборка галактик:[4] Спектроскопические наблюдения нескольких объектов в ближней инфракрасной области (диапазон красного смещения обычно от 1 до 7) со спектральным разрешением около 1000, наблюдение большого количества галактик и NIRS с пространственным разрешением со спектральным разрешением около 1000 и 3000, чтобы провести подробные исследования меньшего количество объектов.
  • Рождение звезд и планетных систем:[4] Высококонтрастная щелевая спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне со спектральным разрешением от 100 до нескольких тысяч, чтобы получить более полное представление о формировании и эволюции звезд и их планетных систем.
  • Планетарные системы и происхождение жизни:[4] Для наблюдения за различными компонентами Солнечная система (от планет и спутников до кометы и Пояс Койпера Для объектов, а также для внесолнечных планетных систем требуется высококонтрастный и пространственно разрешенный NIRS со средним и высоким спектральным разрешением при сохранении высокой относительной спектрофотометрической стабильности.

Режимы работы

Для достижения научных целей NIRSpec имеет четыре режима работы:[4]

Многообъектная спектроскопия (МОП)

Основной принцип многообъектной спектроскопии

В MOS полное поле зрения прибора 3 × 3 угловые минуты покрывается 4 массивами программируемых щелевых масок. Эти программируемые щелевые маски состоят из 250 000 микро-заслонок, каждая из которых может быть индивидуально запрограммирована на «открытие» или «закрытие». Контраст между «открытым» и «закрытым» затвором лучше 1: 2000.[8]Если объект, например, Галактика помещается в «открытую» заслонку, спектры излучаемого объектом света могут быть рассеяны и отображены на плоскости детектора. В этом режиме можно одновременно наблюдать до 100 объектов и измерять спектры.


Режим интегрального полевого устройства (IFU)Спектрометрия интегрального поля будет в основном использоваться для крупных протяженных объектов, таких как галактики. В этом режиме поле зрения 3 × 3 угловой секунды делится на полосы 0,1 угловой секунды, которые затем перестраиваются в длинную щель. Это позволяет получать спектры с пространственным разрешением для больших сцен и может использоваться для измерения скорости и направления движения внутри протяженного объекта. Поскольку измеренные спектры в режиме IFU будут перекрываться со спектрами в режиме MOS, его нельзя использовать параллельно.

Высококонтрастная щелевая спектроскопия (SLIT)

Доступен набор из 5 фиксированных щелей для проведения высококонтрастных спектроскопических наблюдений, например необходим для спектроскопических наблюдений транзитных планет за пределами Солнца. Из пяти фиксированных щелей три имеют ширину 0,2 угловой секунды, одна - 0,4 угловой секунды и одна представляет собой квадратную апертуру 1,6 угловых секунд. Режим SLIT может использоваться одновременно с режимами MOS или IFU.

Режим визуализации (IMA)

Режим визуализации используется для приобретение цели Только. В этом режиме на оптическом пути не помещается диспергирующий элемент, и любые объекты отображаются непосредственно на детекторе. Поскольку матрица микрозатворов, которая находится в промежуточной фокальной плоскости прибора, отображается параллельно, можно организовать обсерваторию JWST таким образом, чтобы любые наблюдаемые объекты падали прямо в центр открытых заслонок (режим MOS), апертуру IFU (Режим IFU) или прорези (режим SLIT).

Параметры производительности

Ключевые параметры производительности NIRSpec:[4][5][9]

ПАРАМЕТРЦЕНИТЬ
Диапазон длин волн0,6 мкм - 5,0 мкм
При работе в режиме R = 1000 и R = 27000 разделение на три спектральные полосы:
1,0 мкм - 1,8 мкм Полоса I
1,7 мкм - 3,0 мкм Band II
2,9 мкм - 5,0 мкм Полоса III
Поле зрения3 × 3 угл. Мин.
Спектральное разрешениеR = 100 (МОП)
R = 1000 (MOS + фиксированные щели)
R = 2700 (фиксированные щели + IFU)
Количество достойных открытых / закрытых щелей для спектрометраТехнология МЭМС на основе массивов микрозатворов с 4-кратными 365 × 171 = 250 000 индивидуальных шторок, каждый из которых имеет размер 80 мкм × 180 мкм
Детектор2 узла микросхемы датчика MCT (SCA) размером 2048 × 2048 пикселей каждый. Шаг пикселя = 18 мкм × 18 мкм
Ошибка волнового фронта, включая телескопОграничение дифракции 2,45 мкм при MSA: WFE = 185 нм RMS (Strehl = 0,80)
Ограничение дифракции 3,17 мкм при FPA: WFE = 238 нм RMS (Strehl = 0,80)
Ограничение чувствительности* В режиме R = 1000, используя один затвор шириной 200 мсек или фиксированную щель, NIRSpec сможет измерять поток в неразрешенной линии излучения 5.2×10−22 Wm−2 от точечного источника на наблюдаемой длине волны 2 мкм при SNR = 10 на элемент разрешения при общей экспозиции 105 s или меньше
* В режиме R = 100, используя один затвор шириной 200 мсек. Или фиксированную щель, NIRSpec сможет измерять непрерывный поток 1.2×10−33 Wm−2Гц−1 от точечного источника на наблюдаемой длине волны 3 мкм при SNR = 10 на элемент разрешения при общей экспозиции 104 s или меньше
Конверт оптики NIRSpecПримерно 1900 мм × 1400 мм × 700 мм
Масса инструмента195 кг (430 фунтов) с деталями из карбида кремния около 100 кг, электронные блоки: 30,5 кг (67 фунтов)
Рабочая Температура38 К (-235,2 ° С; -391,3 ° F)

.

Промышленные партнеры

NIRSpec был построен Astrium Germany совместно с субподрядчиками и партнерами по всей Европе и при участии НАСА из США, которое предоставило подсистему детектора и сборку микрозатворов.

Промышленные партнеры NIRSpec

Отдельными субподрядчиками и их соответствующим вкладом были:[10]

  • APCO Technologies SA - Механическое наземное оборудование и кинематические опоры
  • Astrium CASA Espacio - Ремни для оптических инструментов
  • Astrium CRISA - Электронное и программное обеспечение для управления приборами
  • Astrium SAS - Техническая поддержка по карбиду кремния (SiC)
  • Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) - Краткий обзор прибора, участие в программном обеспечении для анализа и калибровки
  • Boostec - Производство зеркал и конструкций из SiC
  • Cassidian Optronics:
- Колесо фильтра в сборе
- Решетчатое колесо в сборе
  • Центр астрофизических исследований Лиона (CRAL) - Симулятор работы с инструментами
  • Европейское космическое агентство (ESA) - заказчик NIRSpec
  • Iberespacio - Крышка оптического узла
  • Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG) - Оборудование для испытаний
  • Лаборатория космических исследований Малларда (MSSL):
- Калибровочная сборка
- Оптическое оборудование наземной поддержки (датчик Шака-Хартмана, калибровочный источник света)
  • Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) - Предметы, предоставляемые заказчиком:
- Подсистема детекторов
- Подсистема Microshutter
  • Sagem - Зеркальная полировка и зеркальная сборка, интеграция и тестирование
  • Селекс Галилео - Механизм перефокусировки
  • Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) - Интегральный полевой блок
  • Terma - электрическое наземное вспомогательное оборудование (система обработки данных)

Изображений

Многообъектная спектроскопия (МОП)

  • NIRSpec в многообъектном режиме. На изображении показаны спектры лампы для калибровки спектральной линии (типа Фабри-Перо), отображаемые на 2 узлах сенсорных микросхем детектора (SCA).

  • Микрошаттер крупным планом

  • Массивы микрозатворов NIRSpec

Единица интегрального поля

  • NIRSpec в режиме IFU. На изображении показаны спектры лампы для калибровки спектральной линии (типа Фабри-Перо), отображаемые на 2 детекторах SCA.

  • Основной принцип спектроскопии интегрального поля

  • Вид NIRSpec CAD с основными сборками

  • NIRSpec и оптический путь

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Извлечение информации из Starlight». НАСА. 2010-03-30. Получено 2014-04-09.
  2. ^ "Информационный бюллетень JWST". ЕКА. 2013-09-04. Получено 2013-09-07.
  3. ^ Теплица, М. (2013). MacEwen, Howard A; Брекинридж, Джеймс Б. (ред.). «Полезная нагрузка научного инструмента JWST: контекст и статус миссии». Труды SPIE. Космические телескопы и инструменты УФ / оптического / ИК диапазона: инновационные технологии и концепции VI. 8860: 886004. Дои:10.1117/12.2023366.
  4. ^ а б c d е ж грамм Ferruit, P .; и другие. (2012). "Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона JWST NIRSpec: статус". Труды SPIE. Космические телескопы и приборы 2012: оптические, инфракрасные и миллиметровые волны. 8442: 84422O. Bibcode:2012SPIE.8442E..2OF. Дои:10.1117/12.925810.
  5. ^ а б "ESA Science & Technology: NIRSpec - спектрограф в ближней инфракрасной области спектра на JWST". Sci.esa.int. 2013-09-06. Получено 2013-12-13.
  6. ^ "Космический телескоп Джеймса Уэбба". Jwst.nasa.gov. Получено 2015-01-20.
  7. ^ Заруби, С. (2013). «Эпоха реионизации». В Виклинд Т., Мобашер Б. и Бромм В., «Первые галактики - теоретические предсказания и подсказки наблюдений», Springer, Astrophysics and Space Science Library, 396..
  8. ^ Кутырев, А.С .; и другие. (2008). «Массивы микрозатворов: высококонтрастные программируемые полевые маски для JWST NIRSpec» (PDF). Труды SPIE. Космические телескопы и приборы 2008: оптика, инфракрасное излучение и миллиметр. 7010: 70103D. Bibcode:2008SPIE.7010E..99K. Дои:10.1117/12.790192.
  9. ^ Posselt, W .; и другие. (2004). "NIRSpec - спектрограф ближнего инфракрасного диапазона для JWST". Труды SPIE. Оптические, инфракрасные и миллиметровые космические телескопы. 5487: 688–697. Bibcode:2004SPIE.5487..688P. Дои:10.1117/12.555659.
  10. ^ "Пресс-конференция JWST NIRSpec". Astrium GmbH, Оттобрунн. 2013. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

внешняя ссылка