NIRSpec - NIRSpec

Nær-infrarød spektrograf
	NIRSpec -instrument i Astrium Cleanroom i Ottobrunn, Tyskland
Oppdragstype	Astronomi
Operatør	ESA med bidrag fra NASA
Nettsted	ESA Europe ; Astrium Tyskland ; NASA USA
Misjonens varighet	5 år (design) ; 10 år (mål)
Romfartøyets egenskaper
Produsent	Astrium
Start masse	196 kg (432 lb)
Oppdragets start
Lanseringsdato	30. mars 2021 (planlagt)
Rakett	Som en del av JWST ombord på Ariane 5
Lanseringssted	Kourou ELA-3
Entreprenør	Arianespace
Hovedteleskop
Type	Spektrograf
Bølgelengder	0,6 µm ( oransje ) til 5,0 µm ( nær-infrarød )

Den NIRSpec ( nær-infrarød Spectrograph ) er en av de fire vitenskapelige instrumenter som vil bli flydd på James Webb Space Telescope (JWST). JWST er oppfølgingsoppdraget til Hubble-romteleskopet (HST) og er utviklet for å motta mer informasjon om universets opprinnelse ved å observere infrarødt lys fra de første stjernene og galakser. I sammenligning med HST vil dens instrumenter tillate å se lenger tilbake i tid og studere den såkalte mørke alderen der universet var ugjennomsiktig, omtrent 150 til 800 millioner år etter Big Bang .

NIRSpec-instrumentet er et spektrograf med flere objekter og er i stand til samtidig å måle det nær-infrarøde spekteret av opptil 100 objekter som stjerner eller galakser med lave, middels og høye spektraloppløsninger. Observasjonene utføres i et synsfelt på 3 arcmin × 3 arcmin over bølgelengdeområdet fra 0,6 µm til 5,0 µm. Den har også et sett med slisser og en blenderåpning for høy kontrastspektroskopi av individuelle kilder, samt en integrert feltenhet (IFU) for 3D- spektroskopi . Instrumentet er et bidrag fra European Space Agency (ESA) og er bygget av Astrium sammen med en gruppe europeiske underleverandører.

Oversikt

Infografikk av JWST -instrumenter og deres observasjonsområder for lys etter bølgelengde

De viktigste vitenskapstemaene til JWST er:

Første lys og reionisering
montering av galakser,
fødsel av stjerner og protoplanetære systemer
fødselen av planetariske systemer og livets opprinnelse

NIRSpec -instrumentet opererer ved -235 ° C og avkjøles passivt av kalde radiatorer som er montert på JWST Integrated Science Instrument Module (ISIM). Radiatorene er koblet til NIRSpec ved hjelp av varmeledende varmestropper. Speilfestene og den optiske benkplaten er alle produsert av silisiumkarbidkeramikk SiC100. Instrumentstørrelsen er omtrent 1900 mm × 1400 mm × 700 mm og veier 196 kg (432 lb) inkludert 100 kg silisiumkarbid. Driften av instrumentet utføres med tre elektroniske bokser.

NIRSpec inkluderer 4 mekanismer som er:

Filter Wheel Assembly (FWA) - 8 posisjoner, med 4 langpass -filtre for vitenskap, 2 bredbåndsfiltre for måloppnåelse, en lukket og en åpen posisjon
Refocus Mechanism Assembly (RMA) - bærer 2 speil for instrumentfokusering
Micro Shutter Assembly (MSA)-for spektroskopi med flere objekter, men også med faste spalter og IFU-blenderåpning
gitterhjulsammenstillingen (GWA) - 8 stillinger, med 6 gitter og ett prisme for vitenskap og ett speil for måloppnåelse

Videre inkluderer NIRSpec to elektro-optiske enheter som er:

Kalibreringsenhet (CAA) - bærer 11 belysningskilder og en integrerende sfære; for instrumentets interne spektral- og flatfeltkalibrering
Focal Plane Assembly (FPA) - inkluderer fokusplanet som består av 2 sensorbrikkesamlinger

Kalibreringsforsamlingen, en komponent i NIRSpec -instrumentet som vil inngå i James Webb -romteleskopet, ved University College London før integrering.

Og til slutt Integral Field Unit (IFU) bildeskiver, brukt i instrumentets IFU -modus.

Den optiske banen er representert av følgende silisiumkarbid -speilaggregater :

Coupling Optics Assembly - som kobler lyset fra JWST -teleskopet til NIRSpec
Fore Optics TMA (FOR) - som gir mellomliggende fokusplan for MSA
Collimator Optics TMA (COL) - kollimerer lyset på det rivehjulets dispersive element
Camera Optics TMA (CAM) - som endelig viser spektrene på detektoren

Vitenskapsmål

Slutten på mørketiden-første lys og re-ionisering : Nær-infrarød spektroskopi (NIRS) ved spektrale oppløsninger rundt 100 og 1000 for å studere de første lyskildene (stjerner, galakser og aktive kjerner) som markerer begynnelsen på fasen av re-ionisering av universet som antas å finne sted mellom rødskift 15–14 og 6.
Montering av galakser : Nær-infrarød multi-objekt spektroskopiske observasjoner (rødskiftområde vanligvis fra 1 til 7) ved spektrale oppløsninger rundt 1000 observasjoner av et stort antall galakser og romlig oppløste NIRS ved spektrale oppløsninger rundt 1000 og 3000 for å utføre detaljerte studier av et mindre antall objekter.
Fødsel av stjerner og planetariske systemer : Nær-infrarød spaltspektroskopi med høy kontrast ved spektral oppløsning som spenner fra 100 til flere tusen for å få et mer fullstendig syn på stjerners dannelse og utvikling og deres planetsystemer.
Planetariske systemer og livets opprinnelse : For å observere forskjellige komponenter i solsystemet (fra planeter og satellitter til kometer og Kuiper- belteobjekter så vel som til ekstra-solars planetariske systemer, høy kontrast og romlig oppløste NIRS ved middels til høy spektral oppløsning med høy relativ spektrofotometrisk stabilitet påkrevd.

Driftsmoduser

For å nå de vitenskapelige målene har NIRSpec fire operasjonsmåter:

Spektroskopi med flere objekter (MOS)

Grunnleggende prinsipp for flerobjektspektroskopi

I MOS dekkes det totale instrumentfeltet på 3 × 3 bueminutter med 4 matriser med programmerbare spaltemasker. Disse programmerbare spaltemasker består av 250 000 mikroskodder hvor hver enkelt kan programmeres individuelt til 'åpen' eller 'lukket'. Kontrasten mellom en "åpen" eller "lukket" lukker er bedre enn 1: 2000. Hvis et objekt som f.eks. En galakse plasseres i en "åpen" lukker, kan spektraet til lyset som sendes ut av objektet spres og avbildes på detektorplanet. I denne modusen kan opptil 100 objekter observeres samtidig og spektrene måles.

Integral Field Unit Mode (IFU) Den integrerte feltspektrometrien vil først og fremst bli brukt til store, utvidede objekter som galakser. I denne modusen blir et synsfelt på 3 × 3 buesekunder skåret i bånd på 0,1 buesekunder som deretter blir ordnet om til en lang spalte. Dette gjør det mulig å få romlig oppløste spektra av store scener og kan brukes til å måle bevegelseshastighet og retning i et utvidet objekt. Siden målte spektre i IFU -modus ville overlappe med spektre av MOS -modus, kan den ikke brukes parallelt.

Spektroskopi med høy kontrast (SLIT)

Et sett med 5 faste spalter er tilgjengelig for å utføre spektroskopiske observasjoner med høy kontrast, som f.eks. Er nødvendig for spektroskopiske observasjoner av transiterende ekstra-solplaneter. Av de fem faste spaltene er tre 0,2 buesekunder brede, en er 0,4 buesekund bred og en er en firkantet blenderåpning på 1,6 buesekunder. SLIT -modusen kan brukes samtidig med MOS- eller IFU -modusene.

Imaging Mode (IMA)

Bildemodusen brukes bare for målinnhenting . I denne modusen er ikke noe dispergerende element plassert i den optiske banen, og noen objekter blir direkte avbildet på detektoren. Siden mikrolukkeroppsettet som sitter i et instrument mellomliggende fokusplan er avbildet parallelt, er det mulig å arrangere JWST-observatoriet slik at alle objekter som skal observeres faller direkte inn i midten av åpne skodder (MOS-modus), IFU-blenderåpningen (IFU-modus) eller slissene (SLIT-modus).

Ytelsesparametere

NIRSpecs viktigste ytelsesparametere er:

PARAMETER	VERDI
Bølgelengdeområde	0,6 µm - 5,0 µm Ved drift i R = 1000 og R = 2700 -modus, delt i tre spektrale bånd: 1,0 µm - 1,8 µm Band I 1,7 µm - 3,0 µm Band II 2,9 µm - 5,0 µm Band III
Synsfelt	3 × 3 bueminutt
Spektral oppløsning	R = 100 (MOS) R = 1000 (MOS + faste slisser) R = 2700 (faste slisser + IFU)
Antall prisverdig åpne/ lukkede spektrometerspalter	MEMS-teknologi basert på mikrolukkeroppsett med 4 ganger 365 × 171 = 250 000 individuelle skodder, hver med en størrelse på 80 um × 180 um
Detektor	2 MCT Sensor Chip Assemblies (SCA) på 2048 × 2048 piksler hver. Pixelhøyde = 18 µm × 18 µm
Wavefront -feil, inkludert teleskop	Diffraksjon begrenset ved 2,45 µm ved MSA: WFE = 185 nm RMS (Strehl = 0,80) Diffraksjon begrenset til 3,17 µm ved FPA: WFE = 238 nm RMS (Strehl = 0,80)
Begrensende følsomhet	* I R = 1000 -modus, ved bruk av en enkelt 200 mas bred lukker eller fast spalte, vil NIRSpec være i stand til å måle strømmen i en uløst utslippslinje på 5,2 × 10 ⁻²² Wm ⁻² fra en punktkilde ved en observert bølgelengde på 2 µm ved SNR = 10 per oppløsningselement i en total eksponering på 10 ⁵ s eller mindre * I R = 100 -modus, ved bruk av en enkelt 200 m bred lukker eller fast spalte, vil NIRSpec være i stand til å måle kontinuumstrømmen til1,2 × 10 ⁻³³ Wm ⁻² Hz ⁻¹ fra en punktkilde ved en observert bølgelengde på 3 µm ved SNR = 10 per oppløsningselement i en total eksponering på 10 ⁴ s eller mindre
NIRSpec optikk konvolutt	Omtrent 1900 mm × 1400 mm × 700 mm
Instrumentmasse	195 kg (430 lb) med omtrent 100 kg silisiumkarbiddeler, Elektroniske esker: 30,5 kg (67 lb)
Driftstemperatur	38 K (−235,2 ° C; −391,3 ° F)

.

Industrielle partnere

NIRSpec har blitt bygget av Astrium Tyskland med underleverandører og partnere spredt over Europa og med bidrag fra NASA fra USA som ga Detector Subsystem og Micro-shutter Assembly.

NIRSpec industrielle partnere

De enkelte underleverandørene og tilhørende bidrag var:

APCO Technologies SA - Mekanisk bakkeutstyr og kinematiske fester
Astrium CASA Espacio - Harness for optisk instrument
Astrium CRISA - Instrumentkontrollelektronikk og programvare
Astrium SAS - Silicon Carbide (SiC) Engineering Support
Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) - Instrument Quick Look, Analysis and Calibration Software Contribution
Boostec - SiC Mirrors and Structures Manufacturing
Cassidian Optronics:
- Filterhjulsammenstilling
- Gitterhjulsmontering

Centre de Rechereche Astrophysique de Lyon (CRAL) - Simulator for instrumentytelse
European Space Agency (ESA) - NIRSpec Customer
Iberespacio - Optisk monteringsdeksel
Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG)-Instrumenttestfasiliteter
Mullard Space Science Laboratory (MSSL):
- Kalibreringsenhet
- Optisk bakkeutstyr (Shack-Hartman-sensor, kalibrering lyskilde)

National Aeronautics and Space Administration (NASA) - Kundemøblerte varer:
- Detektor subsytem
- Microshutter Subsystem

Sagem - Speilpolering og speilmontering, integrering og testing
Selex Galileo - Refokusmekanisme
Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) - Integral Field Unit
Terma - Elektrisk bakkeutstyr (datahåndteringssystem)

Bilder

Spektroskopi med flere objekter (MOS)

NIRSpec i flerobjektmodus. Bildet viser spektrene til en spektral linjekalibreringslampe (Fabry – Perot -type) avbildet på de 2 detektorsensorbrikkene (SCA)
Microshutter nærbilde
NIRSpec Microshutter -matriser

Integrert felteenhet

NIRSpec i IFU -modus. Bildet viser spektrene til en spektral linjekalibreringslampe (type Fabry – Perot) avbildet på de 2 detektoren SCA.
Grunnleggende prinsipp for integrert feltspektroskopi