El NIRSpec ( espectrógrafo de infrarrojo cercano ) es uno de los cuatro instrumentos científicos que vuelan a bordo del telescopio espacial James Webb (JWST). [2] El JWST es la misión sucesora del telescopio espacial Hubble (HST) y está desarrollado para recibir más información sobre los orígenes del universo mediante la observación de la luz infrarroja de las primeras estrellas y galaxias. En comparación con el HST, sus instrumentos permitirán mirar más atrás en el tiempo y estudiarán las llamadas Edades Oscuras durante las cuales el universo era opaco, unos 150 a 800 millones de años después del Big Bang .
El instrumento NIRSpec es un espectrógrafo multiobjeto capaz de medir simultáneamente el espectro infrarrojo cercano de hasta 100 objetos como estrellas o galaxias con resoluciones espectrales bajas, medias y altas. Las observaciones se realizan en un campo de visión de 3 arcmin × 3 arcmin en el rango de longitudes de onda de 0,6 μm a 5,0 μm. También cuenta con un conjunto de rendijas y una apertura para espectroscopia de alto contraste de fuentes individuales, así como una unidad de campo integral (IFU) para espectroscopia 3D . [3]
El instrumento es una contribución de la Agencia Espacial Europea (ESA) y está siendo construido por Astrium junto con un grupo de subcontratistas europeos. [4]
Descripción general
Infografía de los instrumentos del JWST y sus rangos de observación de la luz por longitud de onda
El instrumento NIRSpec funciona a -235 °C y se enfría de forma pasiva mediante radiadores de espacio frío que están montados en el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) del JWST. Los radiadores están conectados al NIRSpec mediante correas térmicas conductoras de calor. Los soportes de los espejos y la placa base del banco óptico están fabricados en cerámica de carburo de silicio SiC100. El tamaño del instrumento es de aproximadamente 1900 mm × 1400 mm × 700 mm y pesa 196 kg (432 lb), incluidos 100 kg de carburo de silicio. El funcionamiento del instrumento se realiza con tres cajas electrónicas.
El conjunto de rueda de filtros (FWA): 8 posiciones, que llevan 4 filtros de paso largo para ciencia, 2 filtros de banda ancha para adquisición de objetivos, uno cerrado y otro abierto
El conjunto del mecanismo de reenfoque (RMA), que lleva 2 espejos para reenfocar el instrumento
El conjunto de microobturador (MSA), para espectroscopia multiobjeto, pero que también incorpora rendijas fijas y apertura IFU
El conjunto de rueda de rejilla (GWA): 8 posiciones, que llevan 6 rejillas y un prisma para la ciencia y un espejo para la adquisición de objetivos
Además, NIRSpec incluye dos conjuntos electroópticos que son:
Conjunto de calibración (CAA): contiene 11 fuentes de iluminación y una esfera integradora; para calibración espectral interna y de campo plano del instrumento
Conjunto de plano focal (FPA): incluye el plano focal que consta de 2 conjuntos de chips sensores
Y finalmente el cortador de imágenes de la Unidad de Campo Integral (IFU), utilizado en el modo IFU del instrumento.
La trayectoria óptica está representada por los siguientes conjuntos de espejos de carburo de silicio :
El conjunto de óptica de acoplamiento, que acopla la luz del telescopio JWST al NIRSpec
Fore Optics TMA (FOR), que proporciona el plano focal intermedio para el MSA
El colimador óptico TMA (COL) – colima la luz sobre el elemento dispersor de rueda de rejilla
La óptica de la cámara TMA (CAM), que finalmente captura los espectros en el detector
Objetivos científicos
El fin de la Edad Oscura – primera luz y reionización : [3] Espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) a resoluciones espectrales en torno a 100 y 1000 para estudiar las primeras fuentes de luz (estrellas, galaxias y núcleos activos) que marcan el comienzo de la fase de reionización del Universo que se cree que tiene lugar entre los desplazamientos al rojo 15-14 y 6. [6]
El conjunto de galaxias : [3] Observaciones espectroscópicas de múltiples objetos en el infrarrojo cercano (rango de corrimiento al rojo típicamente de 1 a 7) a resoluciones espectrales de alrededor de 1000, observación de un gran número de galaxias y NIRS resuelto espacialmente a resoluciones espectrales de alrededor de 1000 y 3000 para realizar estudios detallados de un número menor de objetos.
El nacimiento de las estrellas y de los sistemas planetarios : [3] Espectroscopia de rendija de alto contraste en el infrarrojo cercano con una resolución espectral que va de 100 a varios miles para obtener una visión más completa de la formación y evolución de las estrellas y sus sistemas planetarios.
Sistemas planetarios y el origen de la vida : [3] Para observar varios componentes del Sistema Solar (desde planetas y satélites hasta cometas y objetos del cinturón de Kuiper , así como sistemas planetarios extrasolares), se requiere NIRS de alto contraste y resolución espacial con una resolución espectral media a alta mientras se mantiene una alta estabilidad espectrofotométrica relativa.
Modos operativos
Principio básico de la espectroscopia multiobjeto
Para alcanzar los objetivos científicos, NIRSpec tiene cuatro modos operativos: [3]
Espectroscopia multiobjeto (MOS)
En MOS, el campo de visión total del instrumento de 3 × 3 minutos de arco se cubre utilizando 4 conjuntos de máscaras de rendija programables. Estas máscaras de rendija programables constan de 250 000 microobturadores donde cada uno puede programarse individualmente para "abrirse" o "cerrarse". El contraste entre un obturador "abierto" o "cerrado" es mejor que 1:2000. [7]
Si un objeto como, por ejemplo, una galaxia, se coloca en un obturador "abierto", los espectros de la luz emitida por el objeto se pueden dispersar y fotografiar en el plano del detector. En este modo, se pueden observar simultáneamente hasta 100 objetos y medir los espectros.
Modo de unidad de campo integral (IFU)
La espectrometría de campo integral se utilizará principalmente para objetos grandes y extendidos como las galaxias. En este modo, un campo de visión de 3 × 3 segundos de arco se divide en bandas de 0,1 segundos de arco que luego se reorganizan en una rendija larga. Esto permite obtener espectros con resolución espacial de escenas grandes y se puede utilizar para medir la velocidad y la dirección del movimiento dentro de un objeto extendido. Dado que los espectros medidos en el modo IFU se superpondrían con los espectros del modo MOS, no se puede utilizar en paralelo.
Espectroscopia de rendija de alto contraste (SLIT)
Se dispone de un conjunto de 5 rendijas fijas para realizar observaciones espectroscópicas de alto contraste, que se requieren, por ejemplo, para las observaciones espectroscópicas de planetas extrasolares en tránsito. De las cinco rendijas fijas, tres tienen una anchura de 0,2 segundos de arco, una de 0,4 segundos de arco y una de apertura cuadrada de 1,6 segundos de arco. El modo SLIT se puede utilizar simultáneamente con los modos MOS o IFU.
Modo de imagen (IMA)
El modo de obtención de imágenes se utiliza únicamente para la adquisición de objetivos . En este modo, no se coloca ningún elemento dispersor en el camino óptico y los objetos se captan directamente en el detector. Dado que la matriz de microobturadores que se encuentra en un plano focal intermedio del instrumento se capta en paralelo, es posible disponer el observatorio JWST de manera que los objetos que se van a observar caigan directamente en el centro de los obturadores abiertos (modo MOS), la apertura IFU (modo IFU) o las rendijas (modo SLIT).
Parámetros de rendimiento
Los parámetros clave de rendimiento de NIRSpec son: [3] [4] [8]
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Socios industriales
NIRSpec ha sido construido por Astrium Alemania con subcontratistas y socios repartidos por toda Europa y con la contribución de la NASA de EE.UU. que proporcionó el subsistema detector y el conjunto de microobturadores.
Socios industriales de NIRSpec
Los subcontratistas individuales y sus contribuciones correspondientes fueron: [9]
APCO Technologies SA – Equipos de soporte mecánico de tierra y montajes cinemáticos
Astrium CASA Espacio – Arnés para instrumentos ópticos
Astrium CRISA – Software y control de instrumentos electrónicos
Astrium SAS: soporte de ingeniería de carburo de silicio (SiC)
Instituto Astrofísico de Potsdam (AIP): contribución al software de análisis, calibración y vista rápida de instrumentos
Boostec – Fabricación de espejos y estructuras de SiC
Optrónica Cassidiana:
Conjunto de rueda de filtro
Conjunto de rueda de rejilla
Centre de Rechereche Astrophysique de Lyon (CRAL) – Simulador de rendimiento de instrumentos
Agencia Espacial Europea (ESA) – Cliente de NIRSpec
Iberespacio – Tapa del conjunto óptico
Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG) – Instalaciones de prueba de instrumentos
Terma – Equipos de soporte eléctrico en tierra (sistema de manejo de datos)
Imágenes
Espectroscopia multiobjeto (MOS)
NIRSpec en modo multiobjeto. La imagen muestra los espectros de una lámpara de calibración de línea espectral (tipo Fabry-Perot) proyectada en los dos conjuntos de chips de sensores (SCA) del detector.
Primer plano del microobturador
Matrices de microobturadores NIRSpec
Unidad de campo integral
NIRSpec en modo IFU. La imagen muestra los espectros de una lámpara de calibración de línea espectral (tipo Fabry-Perot) proyectada en los 2 SCA del detector.
Principio básico de la espectroscopia de campo integral
^ "Extracción de información de la luz de las estrellas". NASA . 2010-03-30 . Consultado el 2014-04-09 .
^ Greenhouse, M. (2013). MacEwen, Howard A; Breckinridge, James B (eds.). "La carga útil del instrumento científico JWST: contexto y estado de la misión". Actas de SPIE . Telescopios e instrumentos espaciales UV/ópticos/IR: tecnologías y conceptos innovadores VI. 8860 : 886004. Bibcode :2013SPIE.8860E..04G. doi :10.1117/12.2023366. S2CID 173183643.
^ abcdefg Ferruit, P.; y col. (2012). Clampin, Mark C; Fazio, Giovanni G; MacEwen, Howard A; Oschmann, Jacobus M (eds.). "El espectrógrafo de infrarrojo cercano NIRSpec del JWST: estado". Actas del SPIE . Telescopios espaciales e instrumentación 2012: óptica, infrarroja y ondas milimétricas. 8442 : 84422O. Código Bibliográfico :2012SPIE.8442E..2OF. doi :10.1117/12.925810. S2CID 123316716.
^ ab "ESA Science & Technology: NIRSpec – el espectrógrafo de infrarrojo cercano en el JWST". Sci.esa.int. 2013-09-06 . Consultado el 2013-12-13 .
^ "El telescopio espacial James Webb". Jwst.nasa.gov . Consultado el 20 de enero de 2015 .
^ Zaroubi, Saleem (2013). "La época de la reionización". Las primeras galaxias . Biblioteca de Astrofísica y Ciencia Espacial. Vol. 396. págs. 45-101. arXiv : 1206.0267 . doi :10.1007/978-3-642-32362-1_2. ISBN .978-3-642-32361-4. Número de identificación del sujeto 58931662.
^ Kutyrev, AS; et al. (2008). Oschmann, Jr, Jacobus M; De Graauw, Mattheus W. M; MacEwen, Howard A (eds.). "Matrices de microobturadores: máscaras de campo programables de alto contraste para JWST NIRSpec". Actas de SPIE . Telescopios espaciales e instrumentación 2008: óptico, infrarrojo y milimétrico. 7010 : 70103D. Código Bibliográfico :2008SPIE.7010E..3DK. doi :10.1117/12.790192. S2CID 106493827.
^ Posselt, W.; et al. (2004). Mather, John C (ed.). "NIRSpec – Espectrógrafo de infrarrojo cercano para el JWST". Actas del SPIE . Telescopios espaciales ópticos, infrarrojos y milimétricos. 5487 : 688–697. Bibcode :2004SPIE.5487..688P. doi :10.1117/12.555659. S2CID 121365299.
^ "Conferencia de prensa de JWST NIRSpec". Astrium GmbH, Ottobrunn. 2013.
