在这幅图中,NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜上的多层遮阳板延伸到天文台的蜂窝状镜面下。遮阳板是冷却韦伯红外仪器的第一步,但中红外仪器(MIRI)需要额外的帮助才能达到工作温度。
影像来源:NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜将看到宇宙大爆炸后形成的第一批星系,但要做到这一点,其仪器首先需要降低温度——温度真的非常低。4月7日,由NASA和ESA联合开发韦伯的中红外仪器(MIRI)达到了低于7开尔文(零下447华氏度,或零下266摄氏度)的最终工作温度。

与韦伯的其他三个仪器一样,MIRI最初在韦伯的网球场大小的遮阳板的阴影下冷却,下降到大约90开尔文(零下298华氏度,或零下183摄氏度)。但是下降到低于7开尔文需要一个电力驱动的低温冷却器。上周,该团队进行一个特别具有挑战性的里程碑操作,称为“夹点”,使仪器从15开尔文(零下433华氏度,或零下258摄氏度)降到6.4开尔文(零下448华氏度,或零下267摄氏度)。

“MIRI低温冷却器团队在开发夹点程序方面投入了大量精力。”NASA南加州喷气推进实验室MIRI项目经理安格伦·施奈德说。“进入关键操作时,团队既兴奋又紧张。最后,这是一次教科书式的程序执行,冷却器的性能比预期的还要好。”

低温环境十分必要,因为韦伯的所有四种仪器都能检测到红外光——波长略长于人眼所能看到的波长。遥远的星系、隐藏在尘埃茧中的恒星以及太阳系外的行星都会发出红外光。但其他温暖的物体也是如此,包括韦伯自己的电子和光学硬件。冷却这四种仪器和周围的硬件可以抑制这些仪器发射红外光。MIRI探测到的红外波长比其他三种仪器更长,这意味着它需要更低的温度。

韦伯的探测器需要冷却的另一个原因是为了抑制暗电流,即探测器自身原子振动产生的电流。电流在探测器中模拟真实的信号,给人一种错觉,以为探测器被外部光源的光击中。这些虚假信号可能会淹没天文学家想要找到的真实信号。由于温度是测量探测器中原子振动速度的一种方法,降低温度意味着振动更少,进而意味着暗电流更少。

MIRI探测更长红外波长的能力也使其对暗电流更敏感,因此需要比其他仪器温度更低才能完全消除这种影响。仪器温度每升高一度,暗电流就会增加约10倍。

一旦MIRI达到了6.4开尔文的寒冷温度,科学家们就开始进行一系列检查,以确保探测器按预期运行。就像医生寻找任何疾病迹象一样,MIRI团队查看描述仪器健康状况的数据,然后给仪器下达一系列命令,看它是否能正确执行任务。这一里程碑是除喷气推进实验室外,多个机构的科学家和工程师的工作成果,包括建造低温冷却器的诺斯罗普·格鲁曼公司,以及监督MIRI和冷却器与天文台其他部分整合的NASA戈达德太空飞行中心。

“我们花了数年时间为这一时刻进行练习,运行我们在MIRI上所做的命令和检查。”JPL MIRI项目科学家迈克·雷斯勒说。“这有点像电影剧本:我们应该做的每件事都写了下来,并进行排练。当测试数据传来时,我非常高兴地看到它看起来与预期完全一样,我们有一个健康的仪器。”

在MIRI开始其科学任务之前,该团队还必须面对更多的挑战。现在仪器已经处于工作温度,团队成员将拍摄恒星和其他已知物体的测试图像,用于校准和检查仪器的操作和功能。该团队将在校准其他三个仪器的同时进行这些准备工作,在今年夏天提供韦伯的第一批科学图像。

“我非常自豪能成为这个由来自欧洲和美国的高度积极、热情的科学家和工程师组成的团队的一员。”苏格兰爱丁堡英国天文技术中心(ATC)的MIRI仪器科学家阿利斯泰尔·格拉斯说。“这段时间是我们的‘试炼’,但我已经很清楚,我们在过去几年中建立起来的个人纽带和相互尊重,将使我们在接下来的几个月里为世界天文学界提供一台神奇的仪器。”

有关任务的更多信息

詹姆斯·韦伯太空望远镜是一个国际项目,由NASA及其合作伙伴ESA和加拿大航天局领导。

MIRI通过NASA和ESA之间50-50的伙伴关系开发。JPL领导美国在MIRI的工作,由欧洲天文研究所组成的跨国联盟为ESA做出了贡献。亚利桑那大学的乔治·里克是MIRI科学团队的负责人。吉莉安·赖特是MIRI欧洲的首席研究员。

英国ATC的拉兹洛·塔马斯负责管理欧洲联盟。MIRI低温冷却器的开发由JPL领导和管理,并与位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼公司和位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心合作。

有关韦伯任务的更多信息,请访问:

https://www.nasa.gov/webb

参考来源:
https://www.nasa.gov/feature/jpl/webb-telescope-s-coldest-instrument-reaches-operating-temperature

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