詹姆斯·韦伯的最酷仪器中红外仪器（MIRI）如何看这个宇宙

看一下用于校准和调试詹姆斯·韦伯望远镜最冷仪器的预发布图像，现在已准备好全面科学操作。
STARTS WITH A BANG — JULY 18, 2022

Ethan Siegel

 

这个大麦哲伦星云的视图被分配RGB颜色到中红外仪器仪器的9个滤波器并将它们合成在一起创建。在调试期间获取的数据，直到现在为止一直没出现。(Credit: Team MIRI; processing by E. Siegel)

关键要点

发射后仅六个多月，詹姆斯·韦伯太空望远镜团队发布了他们的第一批科学图像：几天的数据最终将值是20多年的数据。

但为了使望远镜变得“科学准备就绪”，每个组件都需要被适当的校准和调试。

这些来自中红外仪器（MIRI）团队的从未发布过的图像揭示最雄心勃勃的仪器面临的挑战和征服。我们再也不会以同样的方式看宇宙了。

随科学操作在进行，詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）新揭示我们的宇宙。

这张三面板图像显示由哈勃望远镜（上图）、詹姆斯韦伯太空望远镜的NIRCam仪器（中）和詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器（下图）所看到的船底星云“宇宙悬崖”的视图。随着它对我们的第一次科学发布，这个天文学的新时代已经真正到来。(Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI; NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

这是它的首次发射后约6个月到来的。

2021年12月25日，随着在发射后29分钟并且比计划提前了约4分钟部署太阳能电池阵列，很明显，美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜正在运行并接收电力，并且正在朝着它的最终目的地前进。此次发射取得了无与伦比的成功。(Credit: NASA TV/YouTube)

需要漫长的等待的四个原因。

18个分段反射镜必须展开部署并形成一个经过校准、位置约为20纳米精度的单个表面，而次反射镜然后必须将光线精确地聚焦到仪器上。这里的任何失败对望远镜都会造成毁灭性的影响。(Credit: NASA/James Webb Space Telescope team)

1.) 部署：天文台需要被展开成它的最终配置。

在发射后的第一个月，詹姆斯·韦伯望远镜的首要任务是到达并进入一个围绕L2拉格朗日点的稳定轨道。由于太阳、地球和月球始在它之后，这些来源中的任何一个没有任何机会遮盖它的观望。然而，来自近地轨道的哈勃望远镜在它的潜在观测时间的50%以上都不能观测它的目标。(Credit: ESA)

2.) 轨道插入：它需要到达它愿望的目的地。

遮阳罩的所有五层都必须被恰当的部署沿着它们的支撑物张紧。每个夹子都必须松开，每一层都不能卡住、抓住或撕裂，一切都必须工作。一旦被完全展开，5层屏蔽层提供被动冷却降至约40 K的温度，这里展示的是遮阳罩原型，这是三分之一比例的组件。(Credit: Alex Evers/Northrop Grumman)

3.) 冷却：所有组件都需要达到工作温度。

这个三面板动画显示18个未对齐的单个图像之间的差异，这些在每个片段之后的相同图像已经被更好的配置，然后是最终图像其中来自姆斯韦伯太空望远镜所有18个镜子的单个图像被一起共同堆叠起来。这个对詹姆斯·韦伯望远镜是独有的星星制作的图案 “雪花”只能被更好的校准稍微改进。(Credits: NASA/STScI, compiled by E. Siegel)

4.) 校准和调试：每个组件都需要它。

虽然詹姆斯·韦伯太空望远镜的中红外仪器（MIRI）由于它的敏感的长波长取得最低的分辨率，但它在许多方面也是最强大的仪器，能够揭示所有宇宙中最遥远的特征。(Credit: NASA/STScI)

这包括光学系统和每个科学仪器。

使用中红外仪器拍摄的原始“第一光”图像于2022年4月13日拍摄，其科学目标是取得优于约1角弧度秒指向分辨率来确定中红外仪器器成像几何失真和比例和光谱能力。在7700nm和5600nm场重叠的地方，中红外仪器的第一张彩色图像可以被构建。(Credit: Team MIRI)

可以说最难调试的仪器是中红外仪器（MIRI）。

这张在调试期间用中红外仪器拍摄的显示各种图像的六面板视图，代表一些在科学操作开始之前，为了识别和缓解仪器所涉及的许多技术问题被观望的一些区域。顶行最右边的图像是中红外仪器第一张光图像中7700nm和5600nm滤光片的合成图像。(Credit: Team MIRI)

与所有其他的不同，被动冷却至约40 K对中红外仪器是不够的。

中红外仪器成像仪滤光轮包括：10个用于成像的滤光片，一个用于日冕图的4滤光片膜片组合、一个中性密度滤光片，一个用于LRS模式的ZnS-Ge双棱镜、一个用于黑暗的不透明位置以及一个用于地面测试目的的透镜。这些滤光片设置能使我们来以前所未有的方式观察光谱的中红外部分，但只能在足够低的温度下。 (Credit: NASA/JWST MIRI instrument team)

探测最长波长，从5-30微米，需要低于约7 K的操作。

中红外仪器（MIRI）的低温冷却器回到2016年被测试和检查的样子。这个冷却器对将中红外仪器保持在约7 K至关重要：这是詹姆斯韦伯太空望远镜最冷的部分。如果它变更暖，最长的波长只会返回噪音，因为望远镜实际上将看它自己在更高的温度下辐射。(Credit: NASA/JPL-Caltech)

詹姆斯韦伯太空望远镜是独创的一种封闭系统冷却器。

看起来是一个相对空的场被设计来研究天空背景为望远镜指向和跨不同波长的函数的变化。这帮助识别探测器内从以前处于一个“热”到“冷”位置的差异是什么。一个明显的富含多环芳烃的螺旋星系以绿色弹出。(Credit: Team MIRI)

它将无限期的保持中红外仪器低温冷却。

这张调试图像显示一个尘埃丰富的区域，距离真正的银河系中心只有几度偏移。从科学上讲，绿色表示有机分子的存在：多环芳烃。该数据被用于测量探测器中的杂散光水平，在中红外仪器数据中发现了比预期更多的数据，特别是从5-10纳米。(Credit: Team MIRI)

中红外仪器的砷掺杂硅探测器遇到了一些新颖的问题。

这显示哈勃望远镜（左）和詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器（右）对同一天体的观望：星系NGC 6552。有一个活动中心，中红外仪器“加号”尖峰模式清晰地浮现。然而，中红外仪器的一个不幸特征是当探测器对一个太亮的光源变得饱和时一个“残像”能持续长达25分钟。该图像对帮助识别中红外仪器需要做什么从此类曝光恢复是至关重要的。(Credit: Team MIRI)

当看太亮的光源时这些探测器饱和，产生残像。.

这张照片显示著名的猫眼星云，如哈勃望远镜（L）和詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器（R）所看到的。知道一个饱和探测器怎样产生不需要的残像，然后对学习如何消除这种饱和度并通过MIRI探测器减轻它的影响变得非常重要。观察猫眼星云允许中红外仪器团队来精确识别如何在中红外仪器的所有3个探测器中做到这一点。(Credit: Team MIRI)

解决方法是热循环：将仪器温暖至约20 K，然后将它冷却下来。

这张显著的图像是在NIRISS仪器正被用于观察大麦哲伦星云中的一个小星云时在平行模式下拍摄的一张“奖励免费赠品”。在中红外仪器的视野中，恰好是一颗渐近巨星分支（AGB）恒星处在失去质量的过程中，能清楚地看到它的尖峰中的特征“加号”，比标准的六边形尖峰亮得多。(Credit: Team MIRI)

中红外仪器的尖峰不是六边形的，而是显示一个独特的“加号”形状。

在中红外仪器中的砷掺杂硅探测器内部，反射被打算是最小化的。然而，在最短（5-10微米）中红外仪器波长下，高达约73%的光可能被内部反射，由各种接口的“向下”箭头表示，在詹姆斯韦伯太空望远镜的标准点扩散功能之上创建一个增强的“加号”符号。(Credit: A. Gaspar et al., PASP, 2021)

内部短波长反射是罪魁祸首，软件是补救。

这张图片展示大麦哲伦星云中相同的天空区域，在9个单独的滤光片中所有这些区域都没有一个足够明亮的光源来饱和中红外仪器探测器。仪器目标是生成“天空”平面场图像，这对于理解和取得将要显示的信噪比的高值是必要的。(Credit: Team MIRI)

中红外仪器的波长能力涵盖九个独立的中红外范围。

这个10帧动画显示用于观望大麦哲伦星云（LMC）同一区域的每个单独的滤镜，并有一个用于带来中红外仪器独特观望分配的彩色RGB合成。最后一帧图像完整RGB 合成被特征为本文的标题图像。(Credit: Team MIRI; processing by E. Siegel)

现已全面调试过，中红外仪器正在揭示中红外宇宙。