NIRSpec ( Near-Infrared спектрограф ) является одним из четырех научных инструментов , которые будут выполняться на космическом телескопе Джеймса Вебба (JWST). [3] JWST - это следующая миссия космического телескопа Хаббла (HST), разработанная для получения дополнительной информации о происхождении Вселенной путем наблюдения за инфракрасным светом от первых звезд и галактик. По сравнению с HST, его инструменты позволят заглянуть в прошлое и изучить так называемые темные века, в течение которых Вселенная была непрозрачной, примерно через 150-800 миллионов лет после Большого взрыва .
Тип миссии | Астрономия |
---|---|
Оператор | ЕКА при участии НАСА |
Веб-сайт | ЕКА Европа Astrium Германия НАСА США |
Продолжительность миссии | 5 лет (дизайн) 10 лет (цель) |
Свойства космического корабля | |
Производитель | Astrium |
Стартовая масса | 196 кг (432 фунта) [1] |
Начало миссии | |
Дата запуска | 30 марта 2021 г. (запланировано) [2] |
Ракета | В рамках JWST на борту Ariane 5 |
Запустить сайт | Куру ЭЛА-3 |
Подрядчик | Arianespace |
Главный телескоп | |
Тип | Спектрограф |
Длины волн | От 0,6 мкм ( оранжевый ) до 5,0 мкм ( ближний инфракрасный ) |
Инструмент NIRSpec - это многообъектный спектрограф, способный одновременно измерять в ближнем инфракрасном диапазоне до 100 объектов, таких как звезды или галактики, с низким, средним и высоким спектральным разрешением. Наблюдения проводятся в поле зрения 3 угл. Мин. × 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- спектроскопии . [4] Прибор является вкладом Европейского космического агентства (ЕКА) и построен Astrium совместно с группой европейских субподрядчиков. [5]
Обзор
Основные научные темы JWST: [6]
- Первый свет и реионизация
- сборка галактик,
- рождение звезд и протопланетных систем
- рождение планетных систем и истоки жизни
Прибор NIRSpec работает при температуре −235 ° C и пассивно охлаждается радиаторами холодного помещения, которые установлены на интегрированном модуле научных приборов JWST (ISIM). Радиаторы подключаются к NIRSpec с помощью теплопроводящих нагревательных лент. Крепления зеркал и опорная пластина оптического стола изготовлены из карбидокремниевой керамики SiC100. Размер инструмента составляет приблизительно 1900 мм × 1400 мм × 700 мм, а вес 196 кг (432 фунта), включая 100 кг карбида кремния. Работа прибора осуществляется с помощью трех электронных ящиков.
NIRSpec включает 4 механизма:
- Узел колеса фильтров (FWA) - 8 позиций, несущих 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 с фиксированными прорезями и диафрагмой 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 (ВГА) - 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.
И, наконец, слайсер изображений Integral Field Unit (IFU), используемый в режиме IFU прибора.
Оптический путь представлен следующими узлами зеркал из карбида кремния :
- Узел Coupling Optics Assembly, который направляет свет от телескопа JWST в NIRSpec
- Fore Optics TMA (FOR) - который обеспечивает промежуточную фокальную плоскость для MSA
- Коллиматорная оптика 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 знаменуют начало фаза реионизации Вселенной, которая, как полагают, происходит между красными смещениями 15–14 и 6. [7]
- Группа галактик : [4] Спектроскопические наблюдения множества объектов в ближнем инфракрасном диапазоне (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 дюймов. для проведения детальных исследований меньшего количества 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.
- Планетные системы и происхождение жизни : [4] Для наблюдения различных компонентов Солнечной системы (от планет и спутников до комет и объектов пояса Койпера, а также внесолнечных планетных систем, высококонтрастный и пространственно разрешенный NIRS на требуется от среднего до высокого спектрального разрешения при сохранении высокой относительной спектрофотометрической стабильности.
Режимы работы
Для достижения научных целей NIRSpec имеет четыре режима работы: [4]
Многообъектная спектроскопия (МОП)
В MOS полное поле зрения прибора 3 × 3 угловых минуты покрывается с помощью 4 массивов программируемых щелевых масок. Эти программируемые щелевые маски состоят из 250 000 микро-жалюзи, каждая из которых может быть индивидуально запрограммирована на «открытие» или «закрытие». Контраст между «открытым» и «закрытым» затвором лучше 1: 2000. [8] Если объект, такой как, например, галактика, помещен в «открытую» заслонку, спектры света, испускаемого объектом, могут быть рассеяны и отображены на плоскости детектора. В этом режиме можно одновременно наблюдать до 100 объектов и измерять спектры.
Режим интегрального поля (IFU) Спектрометрия интегрального поля будет в основном использоваться для больших протяженных объектов, таких как галактики. В этом режиме поле зрения 3 × 3 угловой секунды разделено 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)
Набор из 5 фиксированных щелей доступен для выполнения высококонтрастных спектроскопических наблюдений, которые, например, требуются 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 угловой секунды. Режим SLIT можно использовать одновременно с режимами MOS или IFU.
Режим визуализации (IMA)
Режим визуализации используется только для захвата цели . 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 расположить 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]
ПАРАМЕТР | ЗНАЧЕНИЕ |
---|---|
Диапазон длин волн | 0,6 мкм - 5,0 мкм При работе в режиме R = 1000 и R = 27000 разделение на три спектральных диапазона: 1,0 мкм - 1,8 мкм Диапазон I 1,7 мкм - 3,0 мкм Диапазон II 2,9 мкм - 5,0 мкм Диапазон III |
Поле зрения | 3 × 3 угл. Мин. |
Спектральное разрешение | R = 100 (MOS) R = 1000 (MOS + фиксированные щели) R = 2700 (фиксированные щели + IFU) |
Количество достойных открытых / закрытых щелей для спектрометра | Технология МЭМС на основе массивов микрозатворцов с 4-кратными 365 × 171 = 250 000 индивидуальных шторок, каждый из которых имеет размер 80 мкм × 180 мкм. |
Детектор | 2 узла микросхемы датчика MCT (SCA) размером 2048 × 2048 пикселей каждый. Шаг пикселя = 18 мкм × 18 мкм |
Ошибка волнового фронта, включая телескоп | Ограничение 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 Вт · м −2 от точечного источника на наблюдаемой длине волны 2 мкм при SNR = 10 на элемент разрешения при общей экспозиции 10 5 с или меньше * В режиме R = 100 с использованием одного затвора шириной 200 мсек. или фиксированной щели, NIRSpec будет способен измерять непрерывный поток1,2 × 10 −33 Вт · м −2 Гц −1 от точечного источника на наблюдаемой длине волны 3 мкм при SNR = 10 на элемент разрешения при общей экспозиции 10 4 с или меньше |
Конверт оптики NIRSpec | Приблизительно 1900 мм × 1400 мм × 700 мм |
Масса инструмента | 195 кг (430 фунтов) с деталями из карбида кремния около 100 кг, электронные блоки: 30,5 кг (67 фунтов) |
Рабочая Температура | 38 К (-235,2 ° С; -391,3 ° F) |
.
Промышленные партнеры
NIRSpec был создан Astrium Germany с субподрядчиками и партнерами по всей Европе и при участии НАСА из США, которое предоставило подсистему детектора и сборку микрозатворов.
Отдельными субподрядчиками и их соответствующими взносами 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 карбида кремния
- Cassidian Optronics:
- Узел колеса фильтра
- 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 детектора
- Подсистема микрозатвора
- Sagem - зеркальная полировка и сборка зеркал, интеграция и тестирование
- Selex Galileo - механизм перефокусировки
- Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) - Интегральное полевое подразделение
- 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
- Датчик точного наведения, формирователь изображения ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф
- MIRI (Mid-Infrared Instrument) (камера / спектрограф JWST 5–28 микрон)
- NIRCam (NIR-камера для JWST с длиной волны до 5 микрон)
- Интегрированный модуль научных приборов (ISIM, содержит NIRSpec и другие инструменты JWST)
Рекомендации
- ^ «Извлечение информации из звездного света» . НАСА . 2010-03-30 . Проверено 9 апреля 2014 .
- ^ "Информационный бюллетень JWST" . ЕКА . 2013-09-04 . Проверено 7 сентября 2013 .
- ^ Теплица, М. (2013). MacEwen, Howard A; Брекинридж, Джеймс Б. (ред.). «Полезная нагрузка научного инструмента JWST: контекст и статус миссии». Труды SPIE . Ультрафиолетовые, оптические и инфракрасные космические телескопы и инструменты: инновационные технологии и концепции VI. 8860 : 886004. дои : 10,1117 / 12,2023366 .
- ^ Б с д е е г 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 . DOI : 10.1117 / 12.925810 .
- ^ а б "ESA Science & Technology: NIRSpec - спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне на JWST" . Sci.esa.int. 2013-09-06 . Проверено 13 декабря 2013 .
- ^ "Космический телескоп Джеймса Уэбба" . Jwst.nasa.gov . Проверено 20 января 2015 .
- ^ 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 .
- ^ Кутырев АС; 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 . DOI : 10.1117 / 12.790192 .
- ^ 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 . DOI : 10.1117 / 12.555659 .
- ^ "Пресс-конференция JWST NIRSpec". Astrium GmbH, Оттобрунн. 2013. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )
Внешние ссылки
- JWST на НАСА
- JWST на ESA
- NIRSpec на YouTube