Тепловая нагрузка детектора JWST

Большая часть тепла на детекторах и компонентах телескопа исходит от самого космического корабля, а не от освещения от астрофизических источников. Я обновил часть «тепло от астрономических источников» в конце, чтобы количественно оценить это.

На этом изображении показаны тепловые области JWST (есть более красивые версии , но на них не напечатаны температуры):

Эта конструкция поддерживает холодную сторону при довольно постоянной температуре. Вот еще несколько подробностей о частях вопроса, но если у других есть дополнительная техническая информация, пожалуйста, отредактируйте:

Зеркала: Зеркала и другие части телескопа будут производить тепловое излучение в зависимости от их собственной температуры, которая на холодной стороне должна быть около 40 К. Низкая температура важна, потому что это означает низкое фоновое излучение. Также важна термостойкость. Окружающая среда на L2 очень стабильна, что важно, потому что если температура части телескопа (включая зеркала) меняется, то меняется и фон, поэтому все научные поправки должны меняться вместе с ним.

Зеркала открыты для космоса, поэтому они постоянно облучаются астрономическими объектами, холодной стороной теплозащитного экрана и т. д. Что касается нагрева, то они облучаются всем небом, независимо от того, в каком направлении направлен телескоп. Таким образом, температура 40 К — это баланс между всем теплом, которое они получают, и всем теплом, которое они излучают. Преимущество в том, что они излучают обратно в космос:

Детекторы: хранятся в охлаждаемом ящике ISIM. Они не видят неба, кроме луча света, исходящего из телескопа. Электроника дополнительно отделена от самих детекторов, чтобы поддерживать очень постоянную температуру детекторов. Все фактические научные наблюдения являются дифференциальными, А-В. Вот почему наличие стабильной тепловой системы так же важно, как и наличие холодной. На самом деле это сложнее, чем A - B, больше похоже на серию измерений B, A1, A2, A3 и т. д., и наклон соответствует «наклону» отдельных измерений. Таким образом, стабильный фон должен компенсироваться научными данными.

Проводимость: это не упоминалось конкретно в вопросе, но с установленным солнцезащитным козырьком большой проблемой для телескопа и инструментов является теплопроводность. Все это оборудование по-прежнему прикреплено к компонентам на горячей стороне, поэтому инженеры уделили много внимания управлению теплом, передаваемым туда и обратно (приборы на холодной стороне подключены к радиаторам на горячей стороне).

Тепло от астрономических источников:

В вопросе говорится об изменении тепловых нагрузок в зависимости от наблюдаемого источника, а @uhoh связан с вопросом о небесной сфере. Но JWST (включая зеркала) — это телескоп открытой конструкции, поэтому все небо (ну, антисолнечная половина неба) продолжает светить в него все время, куда бы он ни был направлен. Таким образом, не так много изменений в зависимости от того, куда направлен телескоп. Для детекторов активное охлаждение поддерживает постоянную температуру, что должно компенсировать разницу в яркости источника. Больше, чем фактический нагрев, «постоянство» может быть более серьезной проблемой от ярких источников. Это похоже на остаточное изображение на детекторе, где детектору требуется некоторое время, чтобы забыть о ярком источнике и вернуться к базовой линии.

В статье Матиса и др. 1983 г. был назван «эталоном» измерений локального межзвездного поля излучения (ISRF). Вот рисунок 1 из их статьи, где я неуклюже выделил соответствующие кривые:

Вот их описание желтой кривой:

Среднюю интенсивность излучения в типичной точке Галактики можно с пользой рассматривать как делимую на два различных диапазона длин волн. Ультрафиолетовая-видимая-ближняя инфракрасная область спектра ( 𝜆 ≤ 8 мкм) практически полностью образована звездами различного сорта. Средняя и дальняя инфракрасная область ( 𝜆 ≥ 8 мкм) полностью создается пылью, теплой (в околозвездных оболочках) или холодной.

Зеленая кривая — это спектр реликтового излучения (обозначенный в этой статье 1983 года как 2,9 К, но теперь мы принимаем его равным 2,7 К).

Матис и др. дайте интегрированные интенсивности для звездного и пылевого компонентов, которые я преобразовал здесь в мкВт м ^-2 и равновесные температуры, используя закон Стефана-Больцмана :

Есть также некоторая радиация, исходящая от зодиакальной пыли, но я не искал ее. Это все равно будет способствовать меньшему нагреву, чем звездный свет.

Для сравнения, зимние температуры в постоянно затененных лунных кратерах могут достигать около 20 К ( Williams et al. 2019 ).

Небо в среднем 2,7К. Ну, только если Солнце находится вне зоны вашего усреднения.

Космический микроволновый фон является доминирующей видимой энергией в нашей Вселенной. Звезды, квазары и другие источники основаны на барионной материи, которая является довольно незначительной по сравнению с фотонами реликтового излучения.

Это верно как для всего неба, так и для любого возможного поля зрения, которое может иметь телескоп, затененный от Солнца.

Итак, вкратце: основным источником тепла на холодной стороне JWST является горячая сторона. Любое поле зрения, на которое может повернуться телескоп, намного холоднее (в среднем), чем сам телескоп.