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紅外傳感器定義詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

deom ? 來(lái)源:deom ? 作者:deom ? 2022-08-24 09:29 ? 次閱讀
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經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲,詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST)終于在2022年7月將深空?qǐng)D像傳回地球。這些照片以前所未有的細(xì)節(jié)展示了宇宙,這在很大程度上是由該望遠(yuǎn)鏡的尖端設(shè)計(jì)和紅外傳感器共同實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

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車輪星系(來(lái)源:NASA, ESA, CSA, STScI)


在一場(chǎng)全球收看的新聞發(fā)布會(huì)上,美國(guó)總統(tǒng)喬·拜登(Joe Biden)展示了韋伯的首批照片,揭示了一些我們迄今為止所見(jiàn)過(guò)的最遙遠(yuǎn)和最微弱的物體。


美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)局長(zhǎng)Bill Nelson說(shuō):“韋伯的第一幅深空?qǐng)D像不僅是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一幅全彩圖像,也是迄今為止遙遠(yuǎn)宇宙中最深、最清晰的紅外圖像。這張圖片包含了一片天空,但它只是浩瀚宇宙中的極其渺小的一部分,就像一臂遠(yuǎn)的指尖上的一粒沙子。”

這一成就是全球合作的結(jié)果,歐洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)與NASA合作,將韋伯送至地球大氣層之外。

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詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡全尺寸模型(來(lái)源:NASA)


韋伯項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了幾十年,工程師們已經(jīng)解決了許多獨(dú)特和極端的挑戰(zhàn),使太空中最大的望遠(yuǎn)鏡能夠運(yùn)行。

從熱控制系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)器,以及其他許多領(lǐng)域的創(chuàng)新都集成在JWST上,它們是NASA目前發(fā)出的迷人圖像的原因。

這些創(chuàng)新使韋伯能夠符合許多準(zhǔn)則,這意味著它的圖像確實(shí)是超乎尋常的:

它離地球很遠(yuǎn);它不在地球軌道上,而是在太陽(yáng)的軌道上,緊跟著地球以維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。

它是太空中最大的望遠(yuǎn)鏡;它的碟狀物必須折疊起來(lái)才能發(fā)射,然后一旦進(jìn)入太空,望遠(yuǎn)鏡就會(huì)自動(dòng)組裝。

它使用尖端的紅外和近紅外傳感技術(shù)來(lái)探測(cè)我們所見(jiàn)過(guò)的最微弱的物體。

為什么韋伯使用紅外?

韋伯使用范圍廣泛的紅外光,這是它能夠看到如此遙遠(yuǎn)的太空的一個(gè)主要原因。

當(dāng)星系離我們極其遙遠(yuǎn)時(shí),我們?cè)僖矡o(wú)法用它們最初發(fā)出的全部電磁輻射來(lái)探測(cè)它們。

這是因?yàn)榈竭_(dá)地球的光在穿越時(shí)間和空間的過(guò)程中被“拉伸”了。不斷膨脹的宇宙使波長(zhǎng)變長(zhǎng),使光向更紅的頻率方向移動(dòng)。

這被稱為“宇宙學(xué)紅移”,它在上個(gè)世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹提供了證據(jù)。

韋伯探測(cè)到的紅外波長(zhǎng)范圍很廣,這意味著它能夠看到最遙遠(yuǎn)的星系——那些光線向紅色和紅外方向移動(dòng)最多的星系。

太空中的紅外傳感器

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡上有兩種不同的探測(cè)器。碲鎘汞(HgCdTe)或H2RG探測(cè)器探測(cè)近紅外波長(zhǎng)(0.6-5.0μm)的能量,而摻砷硅(Si:As)探測(cè)器捕捉中紅外波長(zhǎng)(5.0-28.0μm)。

望遠(yuǎn)鏡中的近紅外H2RG探測(cè)器由美國(guó)加利福尼亞的Teledyne Imaging Sensors公司制造。中紅外探測(cè)器由另一家加利福尼亞公司Raytheon Vision Systems制造。

每個(gè)H2RG探測(cè)器都有大約400萬(wàn)像素;每個(gè)中紅外探測(cè)器都有大約100萬(wàn)像素。

在太空中,韋伯的巨型反射鏡收集光線并將其引導(dǎo)至傳感器。濾光片首先將光分散成光譜,然后將其聚焦到檢測(cè)器上。每個(gè)儀器都帶有自己的探測(cè)器,可以吸收光子并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電子信號(hào)。

探測(cè)器需要極其靈敏才能探測(cè)到來(lái)自最遙遠(yuǎn)星系的微弱光線,還需要大面積陣列以高效地觀測(cè)天空。與已經(jīng)生產(chǎn)的其他紅外傳感器陣列相比,韋伯陣列具有更小的噪聲、更大的尺寸和更高的耐用性。

H2RG探測(cè)器中的HgCdTe材料通過(guò)改變混合物中汞(Hg)和鎘(Cd)的比例進(jìn)行調(diào)整,使其對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感。

在韋伯上,探測(cè)器應(yīng)用了兩種HgCdTe成分,每個(gè)近紅外傳感器都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn),使其在兩組波長(zhǎng)(0.6μm-2.5μm和0.6μm-5.0μm)上運(yùn)行。

韋伯上的每種類型的紅外探測(cè)器都有類似的三明治結(jié)構(gòu),由薄半導(dǎo)體吸收層、將吸收層中的每個(gè)像素連接到讀出集成電路(ROIC)的銦(In)層和硅(Si)讀出集成電路組成。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一批圖像標(biāo)志著天文學(xué)新紀(jì)元的到來(lái)。隨著太空望遠(yuǎn)鏡中的紅外傳感器在夜空中不斷發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù),我們對(duì)宇宙的理解將比以往任何時(shí)候都更加深遠(yuǎn)。

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審核編輯 黃昊宇

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