詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正處於繼續冷卻狀態

雖然詹姆斯·韋伯太空望遠鏡團隊已經開始了對準望遠鏡鏡面的漫長過程,但韋伯望遠鏡“冷麵”(背對太陽的一面)的幾乎所有部件仍在繼續冷卻

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韋伯望遠鏡的巨大遮陽板使望遠鏡和攝像頭不受陽光的直接照射和來自地球和月球反射的陽光的影響。遮陽板“冷麵”的一切都在被動地冷卻,將熱量輻射到深空。這將持續到望遠鏡和三個近紅外(NIR)儀器達到一個穩定的溫度,在這個溫度下,通過遮陽板的毫瓦能量,加上儀器本身的電子裝置產生的熱量,正好平衡了進入太空的熱量損失。韋伯望遠鏡團隊預計主鏡將冷卻到50開爾文以下(約零下223攝氏度),而近紅外儀器將達到約40開爾文(約零下233攝氏度)。

韋伯望遠鏡的中紅外儀器(MIRI)需要更低的溫度。除了被動冷卻外,MIRI將被一個封閉循環的氣態氦低溫冷卻器或冰箱冷卻到低於7開爾文(零下266攝氏度)的溫度。與以前的一些低溫任務不同的是,MIRI的冷卻器是通過沸騰液態氦並將其排放到太空中來冷卻的,而MIRI的冷卻器可以重複利用其氦氣,就像你廚房裡的冰箱不斷循環利用自己的冷卻劑一樣。韋伯團隊本周開啟了MIRI低溫冷卻器的第一級。

在韋伯的遮陽板部署后的幾個星期里,韋伯的鏡子一直在冷卻,但它們還沒有達到最終溫度。不同部分的溫度有差異,靠近遮陽板和航天器總線的部分溫度較高。團隊預計,這些鏡段都將再冷卻10開爾文左右,但它們的最終溫度仍將有15至20開爾文的差異。懸挂在其“蜘蛛”支撐結構末端的副鏡,溫度已經非常低了。

與此同時,近紅外儀器也在冷卻。在冷卻過程的早期,韋伯團隊使用加熱器來保持儀器的溫度高於“冷麵”結構,以防止水冰在光學表面形成。但是現在這些都已經完成了,儀器和它們的探測器正在很好地冷卻。它們目前的溫度約為75開爾文(約零下198攝氏度);在達到最終工作溫度之前,它們還將繼續冷卻幾周。

紅外線望遠鏡的冷卻是一個精確而關鍵的過程,以確保儀器的成功,並最終確保驚人的科學成果。團隊從多年的紅外任務中吸取了經驗並加以改進。韋伯的歷史學家Robert W. Smith對韋伯如何建立在以前的紅外觀測站的遺產上做了一些解釋。

“從1800年起,先鋒調查員就開始在紅外線中檢查各種天體。然而,紅外天文學在20世紀60年代才開始發展。鑒於大氣層的限制,研究人員用氣球和火箭上的望遠鏡進行了實驗。

然而,大獎是太空中的紅外望遠鏡,不限於火箭飛行的5分鐘左右的觀測時間。美國、荷蘭和英國的努力導致了紅外天文衛星(IRAS)的誕生。1983年發射的IRAS在各種波長的天空中進行勘測,在其10個月的壽命中,識別了35萬個紅外源。紅外空間天文台(ISO)於1995年跟隨IRAS發射。它成為第一個利用探測器陣列的紅外空間望遠鏡,這種探測器在1990年前後的幾年裡已經開始對地面紅外天文學進行革新。

對紅外空間望遠鏡的未來至關重要的是向輻射或被動冷卻的徹底轉變。紅外線望遠鏡的鏡面會發出紅外輻射,為了觀察由天文來源發出的紅外信號,其中許多是非常微弱的,鏡面需要保持非常低的溫度。IRAS和ISO都是通過把望遠鏡放在一個充滿液態氦的杜瓦瓶里來保持其低溫。但是採用這種方法嚴重限制了可以飛行的望遠鏡的尺寸。愛丁堡皇家天文台的Tim Hawarden在20世紀80年代初開始探索取消杜瓦瓶的想法。取而代之的是,望遠鏡將被溫暖地發射,並通過向太空輻射熱量來冷卻。

第一個使用被動冷卻的紅外空間望遠鏡是美國宇航局的斯皮策空間望遠鏡,於2003年發射到地球軌道。主鏡被動冷卻到約34開爾文,然後使用液氦使天文台的溫度低於6開爾文。赫歇爾空間觀測站是歐空局的一個項目,它有一個被動冷卻的主鏡(達到80開爾文)和液氦冷卻的儀器。赫歇爾從2009年到2013年運行,圍繞拉格朗日點 L2運行,與韋伯類似。赫歇爾的3.5米直徑的鏡子使其成為韋伯之前最大的紅外望遠鏡。

1989年,在太空望遠鏡科學研究所的一個研討會上,天文學家們探討了關於‘下一代U-V-Visible-IR望遠鏡’的想法,以接替哈勃。這些討論導致了對紅外優化望遠鏡的建議,即‘下一代太空望遠鏡’,其願景在世界最大和最強大的紅外觀測站-韋伯中實現。”

– Robert W. Smith,阿爾伯塔大學歷史系教授

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