NIRSpec (, «ближній інфрачервоний спектрограф») — один із чотирьох наукових інструментів, встановлених на космічному телескопі Джеймса Вебба. Джеймс Вебб — це наступник космічного телескопа Габбла, розроблений для отримання додаткової інформації про походження Всесвіту шляхом спостереження інфрачервоного світла від перших зір і галактик. Порівняно з телескопом Габбла, його інструменти заглядають далі в минуле та вивчають так звані Темні віки, протягом яких Всесвіт був непрозорим, приблизно через 150—800 мільйонів років після Великого вибуху.
Прилад NIRSpec — це багатооб'єктний спектрограф, здатний одночасно вимірювати спектр у ближньому інфрачервоному діапазоні для майже 100 об'єктів, як-от зір або галактик, із низькою, середньою та високою спектральною роздільною здатністю. Спостереження здійснюють у полі зору 3 × 3 мінути в діапазоні довжин хвиль від 0,6 до 5,0 мкм. Він також містить набір щілин і апертуру для висококонтрастної спектроскопії окремих джерел, а також блок інтегрального поля () для 3D-спектроскопії. Цей прилад створило Європейське космічне агентство, а побудувала компанія Astrium спільно з групою європейських субпідрядників.
Огляд
Головні наукові теми космічного телескопа Джеймса Вебба: перше світло та реіонізація; формування галактик; народження зір і протопланетних систем; народження планетних систем та походження життя. Прилад NIRSpec працює за температури −235 °C. Його пасивно охолоджують космічні , встановлені на інтегрованому модулі наукових інструментів космічного телескопа Джеймса Вебба. Радіатори з'єднані з NIRSpec за допомогою теплопровідних стрічок. Кріплення дзеркал і базова плита оптичної лави виготовлені з кераміки SiC100 на основі карбіду кремнію. Розмір приладу становить приблизно , а його маса дорівнює 196 кг (включно зі 100 кг карбіду кремнію). Роботою приладу керують три електронні блоки.
Прилад NIRSpec містить 4 механізми: блок коліс світлофільтрів () — 8 позицій, містить 4 довгохвильові фільтри для наукових досліджень, 2 широкосмугові фільтри для захоплення цілей, одну закриту та одну відкриту позиції; блок механізму перефокусування () — містить 2 дзеркала для перефокусування приладу; блок мікрозатворів () — призначений для багатооб'єктної спектроскопії, але також містить фіксовані щілини та апертуру IFU; блок дифракційних решіток () — 8 позицій, містить 6 решіток та одну призму для наукових спостережень, а також одне дзеркало для захоплення цілей. Крім того, NIRSpec містить два електронно-оптичні блоки: калібрувальний блок () — містить 11 джерел освітлення та інтегрувальну сферу; слугує для внутрішнього спектрального калібрування приладу та калібрування плоского поля; блок фокальної площини () — включає фокальну площину, яка складається з 2 матричних сенсорних модулів.
І, нарешті, пристрій нарізання зображень блоку інтегрального поля (), який використовують у режимі IFU приладу.
Оптичний шлях утворюють такі системи дзеркал із карбіду кремнію: блок оптики зв'язку — спрямовує світло від телескопа до приладу NIRSpec; передня оптика () — забезпечує проміжну фокальну площину для MSA; оптика коліматора () — колімує світло на дисперсійний елемент блоку дифракційних решіток; оптика камери () — проєктує остаточне зображення спектрів на детектор.== Наукові цілі ==
Кінець Темних віків — перше світло та реіонізація: (NIRS) зі спектральною роздільною здатністю близько 100 і 1000 дає змогу вивчати перші джерела світла (зорі, галактики та активні ядра), що знаменують початок фази реіонізації Всесвіту, яка, як вважають, відбувалася між червоними зсувами від 15–14 до 6. Формування галактик: багатооб'єктні спектроскопічні спостереження у ближньому інфрачервоному діапазоні (зазвичай діапазон червоних зсувів від 1 до 7) із роздільною здатністю близько 1000 для великої кількості галактик, а також просторово-роздільна спектроскопія NIRS із роздільною здатністю 1000 і 3000 для проведення детальних досліджень меншої кількості об'єктів. Народження зір і планетних систем: висококонтрастна щілинна спектроскопія у ближньому інфрачервоному діапазоні зі спектральною роздільною здатністю від 100 до кількох тисяч для отримання повнішої картини формування та еволюції зір і їхніх планетних систем. Планетні системи та походження життя: для спостереження за різними компонентами Сонячної системи (від планет і супутників до комет та об'єктів пояса Койпера), а також за позасонячними планетними системами, потрібна висококонтрастна та просторово-роздільна спектроскопія NIRS із середньою і високою спектральною роздільною здатністю за підтримки високої відносної спектрофотометричної стабільності.
Режими роботи
Для досягнення наукових цілей прилад NIRSpec має чотири режими роботи:
Багатооб'єктна спектроскопія (MOS) У режимі MOS загальне поле зору приладу розміром 3 × 3 кутові мінути покривають 4 матриці програмованих щілинних масок. Ці програмовані щілинні маски складаються з 250 000 мікрозатворів, кожен з яких можна індивідуально запрограмувати на «відкритий» або «закритий» стан. Контраст між «відкритим» і «закритим» затвором перевищує 1:2000. Якщо об'єкт (наприклад, галактика) потрапляє у «відкритий» затвор, спектри випроміненого ним світла розсіюються та проєктуються на площину детектора. У цьому режимі можна одночасно спостерігати до 100 об'єктів і вимірювати їхні спектри.
Режим блоку інтегрального поля (IFU) Спектрометрію інтегрального поля здебільшого використовуватимуть для великих протяжних об'єктів, як-от галактик. У цьому режимі поле зору розміром 3 × 3 кутові секунди нарізають на смуги по 0,1 кутової секунди, які потім шикують у довгу щілину. Це дає змогу отримувати просторово-роздільні спектри великих сцен і допомагає вимірювати швидкість і напрямок руху всередині протяжного об'єкта. Оскільки виміряні спектри в режимі IFU перекривалися б зі спектрами в режимі MOS, ці режими неможливо використовувати паралельно.
Висококонтрастна щілинна спектроскопія (SLIT)
Для проведення висококонтрастних спектроскопічних спостережень (які, наприклад, необхідні для вивчення транзитних екзопланет) доступний набір із 5 фіксованих щілин. Із п'яти фіксованих щілин три мають ширину 0,2 кутової секунди, одна — 0,4 кутової секунди, а ще одна є квадратною апертурою розміром 1,6 кутової секунди. Режим SLIT можна використовувати одночасно з режимами MOS або IFU.
Режим зображення (IMA)
Режим зображення використовують лише для захоплення цілей. У цьому режимі на оптичному шляху немає дисперсійного елемента, тому всі об'єкти проєктуються безпосередньо на детектор. Оскільки матриця мікрозатворів, розміщена у проміжній фокальній площині приладу, проєктується паралельно, обсерваторію космічного телескопа Джеймса Вебба можна налаштувати так, щоб будь-які об'єкти спостереження потрапляли точно в центр відкритих затворів (режим MOS), в апертуру IFU (режим IFU) або в щілини (режим SLIT).
Робочі параметри
Ключові робочі параметри NIRSpec: ПАРАМЕТР ЗНАЧЕННЯ Діапазон довжин хвиль 0,6 мкм — 5,0 мкм Під час роботи в режимах R = 1000 та R = 2700 розділяється на три спектральні смуги: 1,0 мкм — 1,8 мкм Смуга I 1,7 мкм — 3,0 мкм Смуга II 2,9 мкм — 5,0 мкм Смуга III Поле зору 3 × 3 кут. хв. Спектральна роздільна здатність R = 100 (MOS) R = 1000 (MOS + фіксовані щілини) R = 2700 (фіксовані щілини + IFU) Кількість керованих (відкритих/закритих) щілин спектрометра МЕМС-технологія на базі матриць мікрозатворів; 4 блоки по 365 × 171 = 250 000 окремих затворів, кожен розміром 80 мкм × 180 мкм Детектор 2 матричні сенсорні модулі (SCA) на основі КРТ (MCT), кожен по 2048 × 2048 пікселів. Крок пікселя = 18 мкм × 18 мкм Похибка хвильового фронту (включно з телескопом) Дифракційна межа за 2,45 мкм на MSA: WFE = 185 нм RMS (число Штреля = 0,80)Дифракційна межа за 3,17 мкм на FPA: WFE = 238 нм RMS (число Штреля = 0,80) Гранична чутливість * У режимі R = 1000, використовуючи один затвор або фіксовану щілину завширшки 200 мілісекунд дуги, NIRSpec здатен виміряти потік у нерозділеній емісійній лінії від точкового джерела на довжині хвилі 2 мкм із відношенням сигнал/шум (SNR) = 10 на елемент роздільної здатності за загальний час експозиції 105 с або менше * У режимі R = 100, використовуючи один затвор або фіксовану щілину завширшки 200 мілісекунд дуги, NIRSpec здатен виміряти потік континууму від точкового джерела на довжині хвилі 3 мкм із SNR = 10 на елемент роздільної здатності за загальний час експозиції 104 с або менше Габарити оптики NIRSpec Приблизно Маса приладу (близько 100 кг становлять деталі з карбіду кремнію), електронні блоки: Робоча температура
Промислові партнери
Прилад NIRSpec побудувала компанія Astrium Germany із залученням субпідрядників і партнерів з усієї Європи, а також за участі НАСА (США), яке надало підсистему детектора та блок мікрозатворів.
Окремі субпідрядники та їхній внесок: APCO Technologies SA — механічне наземне допоміжне обладнання та кінематичні кріплення; Astrium CASA Espacio — кабельна мережа оптичного приладу; Astrium CRISA — електроніка та програмне забезпечення для керування приладом; Astrium SAS — інженерна підтримка з питань карбіду кремнію (SiC); (AIP) — програмне забезпечення для швидкого перегляду, аналізу та калібрування даних приладу; Boostec — виготовлення дзеркал і конструкцій із карбіду кремнію; Cassidian Optronics: блок коліс світлофільтрів; блок дифракційних решіток;
(CRAL) — симулятор роботи приладу; Європейське космічне агентство (ЄКА) — замовник NIRSpec; Iberespacio — кришка оптичного блоку; (IABG) — випробувальні комплекси для приладу; (MSSL): калібрувальний блок; оптичне наземне допоміжне обладнання (, калібрувальне джерело світла);
Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА) — обладнання, надане замовником: підсистема детектора; підсистема мікрозатворів;
— полірування та збирання дзеркал, інтеграція та тестування; — механізм перефокусування; — блок інтегрального поля; Terma — електричне наземне допоміжне обладнання (система обробки даних).
Зображення Багатооб'єктна спектроскопія (MOS)
Блок інтегрального поля
Див. також FGS-NIRISS MIRI (камера/спектрограф космічного телескопа Джеймса Вебба для діапазону 5–28 мкм) NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону для космічного телескопа Джеймса Вебба для світла з довжиною хвилі до 5 мікрометрів) ISIM (інтегрований модуль наукових інструментів, вміщує NIRSpec та інші прилади космічного телескопа Джеймса Вебба)
Примітки
Посилання
Космічний телескоп Джеймса Вебба на сайті NASA Космічний телескоп Джеймса Вебба на сайті ESA NIRSpec на YouTube