Настолько холодно, насколько возможно: криоохладитель телескопа Уэбба

Если бы вас попросили назвать самое холодное место в Солнечной системе, вы, скорее всего, подумали бы, что оно находится где-то как можно дальше от основного источника всей энергии системы — Солнца. Понятно, что чем дальше вы находитесь от чего-то горячего, тем больше распространяется тепло. Таким образом, Плутон, планета или нет, может быть хорошим предположением о рекордно низкой температуре.

Но несмотря на то, что на Плутоне холодно (до 40 Кельвинов), есть место намного, намного холоднее и, как это ни парадоксально, гораздо ближе к дому. Фактически, он находится всего в миллионе миль от нас, и прямо сейчас, находясь при температуре всего в 6 Кельвинов, кусок кремния в фокальной плоскости одного из главных инструментов на борту космического телескопа Джеймса Уэбба заставляет поверхность Плутона выглядеть совершенно нежной. .

Глубина холода на Уэббе тем более удивительна, что всего в нескольких метрах от него температура достигает 324 К (123 F, 51 C). Принципы и причины создания систем охлаждения Уэбба полны интересных инженерных деталей и заслуживают более глубокого изучения, поскольку новейший в мире космический телескоп готовится к наблюдениям.

Вероятно, первый наиболее очевидный вопрос, касающийся криокулера в космосе, звучит так: зачем Уэббу вообще нужен криокулер? Разве космос, особенно область вокруг гало-орбиты Уэбба вокруг точки Лагранжа L2, уже достаточно холоден? Короче говоря, нет — для инфракрасной астрономии, для которой предназначены инструменты Уэбба, космос далеко не достаточно холоден. Но что такого особенного в инфракрасной астрономии и почему для нее требуются такие низкие температуры?

С самого начала проекта космический телескоп Джеймса Уэбба всегда задумывался как инфракрасный телескоп. Это связано с тем, что объекты, которые Уэбб намеревался изучить, являются одними из старейших объектов во Вселенной, а закон Хаббла говорит нам, что чем дальше объект находится, тем быстрее он удаляется от Земли, свет от него будет резко красным. смещается благодаря эффекту Доплера. Это означает, что свет практически от всего, на что будет направлен Уэбб, находится где-то в инфракрасной части спектра. Четыре пакета инструментов для визуализации и спектрографии Уэбба могут охватывать диапазон от самого края видимой части спектра (длина волны около 0,6 мкм) до длин волн средней инфракрасной области (около 28 мкм). Для справки: микроволны начинаются с длины волны около 100 мкм, поэтому частота света, которую Уэбб призван изучать, ненамного выше радиочасти электромагнитного спектра.

Проблема инфракрасной астрономии заключается в том, что датчики, используемые для улавливания света, легко перегружаются теплом окружающей среды, которое излучается в инфракрасной области. Кроме того, фотодатчики, используемые в инфракрасных телескопах, чувствительны к темновому току, который представляет собой ток, протекающий в датчике даже при отсутствии на него падающего света. Темновой ток в первую очередь вызван термической стимуляцией электронов в материале датчика, поэтому поддержание как можно более холодного датчика имеет большое значение для снижения шума.

Как говорилось ранее, у Уэбба есть четыре основных инструмента. Три из них — камера ближнего инфракрасного диапазона (NEARCam), спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NEARSpec), датчик точного наведения и формирователь изображения ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф (FGS-NIRISS) — все работают в ближней инфракрасной части спектра. спектр, как следует из их названий. Ближний инфракрасный диапазон находится чуть ниже видимой части спектра, примерно от 0,6 до 5,0 мкм. В датчиках этих длин волн используется сплав ртути, кадмия и теллура (Hg:Cd:Te), и для их использования требуется охлаждение примерно до 70 Кельвинов.

В наземных телескопах ближнего ИК-диапазона охлаждение датчиков Hg:Cd:Te обычно осуществляется жидким азотом. Однако на Уэббе доступен другой вариант благодаря массивному пятислойному солнцезащитному козырьку, который защищает обсерваторию от яркого света Солнца, а также света, отраженного от Земли, который благодаря гало-орбите телескопа всегда ввиду. Слои алюминизированного солнцезащитного козырька Уэбба расположены так, что падающее ИК-излучение отражается между соседними слоями и в конечном итоге излучается в пространство более или менее перпендикулярно солнцезащитному козырьку, а не проникает через слои к чувствительной оптике на его темной стороне. Солнцезащитный козырек получает порядка 200 кВт энергии на горячую сторону, пропуская при этом на холодную сторону только 23 мВт. Благодаря этому расположенные там инструменты поддерживают температуру в 40 К, что достаточно для трех инструментов ближнего ИК-диапазона.