Eine künstlerische Darstellung von Webb. dima_zel / iStock
So nah, aber so weit.
Das James-Webb-Weltraumteleskop befindet sich im Orbit des zweiten Lagrange-Punkts L2, wobei drei seiner vier Hauptinstrumente ausgerichtet und einsatzbereit sind – aber eines bleibt.
Die am wenigsten erforschten Grenzen des Weltraums befinden sich im mittleren Infrarotbereich. Und Webbs Mid-InfraRed Instrument MIRI ist bereit, diesen empirischen blinden Fleck zu beheben. Der Grund dafür liegt hauptsächlich in der Art und Weise, wie unsere Atmosphäre unsere Beobachtungsfähigkeit beeinträchtigtdas Universum vom Boden aus – wo die meisten Teleskope seit den Tagen von betrieben wurdenGalileo Galilei.
„Dramatische Ergebnisse im mittleren Infrarot haben Teleskope im Vakuum des Weltraums erzielt, wo sie auf kryogene Temperaturen gekühlt werden“, sagte Jonathan Gardner, Deputy Senior Project Scientist von Webb vom Goddard Space Flight Center der NASA, in ein Blogbeitrag der Agentur.
Aber im Weltraum ist es bereits sehr kalt, und es gibt keine Atmosphäre weit außerhalb der Umlaufbahn des Mondes. Warum muss MIRI dann kryogen gekühlt werden?
Wie das James-Webb-Teleskop sein MIRI-Instrument kühlt
Im Gegensatz zu den ersten drei Instrumentenausrichtungen am James Webb-Weltraumteleskop wird das MIRI länger brauchen, um vollständig einsatzbereit zu sein, da es eine andere Art von Sensor verwendet, der unglaublich niedrige Temperaturen zum Betrieb erfordert. So niedrig, dass ein Bordkühler und eine Heizungsind erforderlich, um sie im Zieltemperaturbereich zu halten.
Die andere drei Instrumente haben ihre Betriebstemperaturen zwischen 34 und 39 Kelvin erreicht, aber damit MIRI funktioniert, muss es auf 7 Kelvin heruntergebracht werden. Dies wird mit einem speziellen Kryokühlsystem erreicht. „In den letzten Wochen wurde der Kryokühlerkaltes Heliumgas an der optischen Bank MIRI vorbei zirkulieren lassen, was dazu beitragen wird, sie auf etwa 15 Kelvin abzukühlen", sagten Bret Naylor und Konstantin Penanen in einer gemeinsamen Erklärung des Jet Propulsion Laboratory der NASA in ein Agenturposten.
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„Bald stehen dem Kryokühler die schwierigsten Tage seiner Mission bevor“, fuhren Naylor und Penanen fort. „Durch den Betrieb von Kryoventilen wird der Kryokühler das zirkulierende Heliumgas umleiten und es durch eine Strömungsbegrenzung zwingen. Als Gasdehnt sich beim Verlassen der Restriktion aus, wird kälter und kann dann die MIRI-Detektoren auf ihre kühle Betriebstemperatur von unter 7 Kelvin bringen."
Warum das MIRI-Instrument von Webb unter 7 Kelvin gehalten werden muss
Das MIRI-Instrument des James-Webb-Teleskops ist hochempfindlich – so empfindlich, dass es extrem kalt sein muss, um Infrarot-Hintergrundrauschen zu unterdrücken, einschließlich der Wärme des Instruments selbst. „Die Detektoren in jedem wissenschaftlichen Instrument, die Infrarotlichtsignale umwandelnin elektrische Signale umwandeln, um sie zu Bildern zu verarbeiten, müssen kalt sein, um genau richtig zu funktionieren", sagte eine andere NASA-Blogseite.
Im Allgemeinen gilt: Je länger die Wellenlänge des Infrarotlichts, desto kälter muss jeder zugeordnete Detektor sein, um diese Umwandlung durchzuführen, ohne selbst zu viele zufällige „Rausch“-Elektronen zu erzeugen. MIRI kann mittleres Infrarotlicht bei Wellenlängen von 5 bis 28 sehenMikrometer, was bedeutet, dass seine mit Arsen dotierten Siliziumdetektoren unter 7 Kelvin gehalten werden müssen, um richtig zu funktionieren.
Diese Temperatur des Weltraums beträgt typischerweise 2,7 Kelvin, aber innerhalb von Webb, wo Instrumente und Computer sind aktiv, es kann ein wenig darüber springen – weshalb „passive Kühlung“ die Art und Weise, wie andere Instrumente allein durch die Exposition gegenüber dem Weltraum kühl bleiben einfach nicht ausreicht. Daher verwendet das James-Webb-Teleskop einen Kryokühler speziell zum Kühlenes ist MIRI Mittelinfrarot-Instrument bis zu ausreichenden Temperaturen, unter 7 Kelvin.