점점 추워지는 만큼: 웹 망원경의 극저온 냉각기

태양계에서 가장 추운 지점의 이름을 묻는다면, 모든 시스템 에너지의 궁극적인 원천인 태양으로부터 가능한 한 멀리 있는 곳일 것이라고 생각할 가능성이 매우 높습니다. 뜨거운 것에서 멀리 떨어져 있을수록 열이 더 많이 퍼지는 것은 당연합니다. 따라서 행성이든 아니든 명왕성은 기록적인 최저 기온에 대한 좋은 추측이 될 수 있습니다.

그러나 명왕성이 40켈빈까지 내려가는 만큼 그보다 훨씬 더 추운 곳이 있고, 역설적이게도 집에 훨씬 더 가까운 곳이 있습니다. 실제로 명왕성은 약 백만 마일 떨어져 있으며 현재 6켈빈에 불과한 제임스 웹 우주 망원경의 주요 장비 중 하나의 초점면에 있는 실리콘 덩어리로 인해 명왕성의 표면이 정말 상쾌해 보입니다. .

Webb의 추위의 깊이는 단 몇 미터 떨어져 있고 온도가 지글지글 324K(123F, 51C)라는 점을 고려하면 더욱 놀랍습니다. Webb의 냉각 시스템에 대한 방법과 이유는 흥미로운 엔지니어링 정보로 가득 차 있으며 세계 최신 우주 망원경이 관측을 준비함에 따라 심층적으로 살펴볼 가치가 있습니다.

아마도 우주의 극저온 냉각기에 관한 첫 번째 가장 분명한 질문은 다음과 같습니다. 왜 Webb에 극저온 냉각기가 필요한가요? 우주, 특히 라그랑주 지점 L2 주위의 Webb 헤일로 궤도 주변 지역은 이미 충분히 차갑지 않습니까? 한마디로, 아니요. 적외선 천문학 Webb의 장비는 우주 공간이 충분히 춥지 않도록 설계되었습니다. 그러면 적외선 천문학의 특별한 점은 무엇이며, 그렇게 낮은 온도가 필요한 이유는 무엇입니까?

초기 설계부터 제임스 웹 우주 망원경이 될 것은 항상 적외선 망원경으로 생각되었습니다. Webb이 연구하려고 했던 물체는 우주에서 가장 오래된 물체 중 하나이며, 허블의 법칙에 따르면 물체가 멀리 있을수록 지구에서 더 빨리 멀어지고 그 물체에서 나오는 빛은 극적으로 빨간색이 됩니다. 도플러 효과로 인해 이동했습니다. 이는 Webb가 가리키는 거의 모든 것의 빛이 스펙트럼의 적외선 부분 어딘가에 있다는 것을 의미합니다. Webb의 4가지 이미징 및 분광 장비 패키지는 스펙트럼의 가시 부분(약 0.6μm 파장)의 가장 가장자리부터 약 28μm의 중간 적외선 파장까지 포괄할 수 있습니다. 참고로 마이크로파는 약 100μm 파장에서 시작하므로 Webb이 연구하도록 설계된 빛의 주파수는 전자기 스펙트럼의 무선 부분보다 그리 높지 않습니다.

적외선 천문학의 문제점은 빛을 포착하는 데 사용되는 센서가 적외선 영역에서 방출되는 주변 열에 의해 쉽게 압도된다는 것입니다. 또한 적외선 망원경에 사용되는 광센서는 암전류에 취약합니다. 암전류는 빛이 전혀 들어오지 않아도 센서에 흐르는 전류입니다. 암전류는 주로 센서 소재 내 전자의 열 자극으로 인해 발생하므로 센서를 최대한 차갑게 유지하는 것이 소음을 줄이는 데 큰 도움이 됩니다.

앞서 언급했듯이 Webb에는 네 가지 주요 도구가 있습니다. 그 중 근적외선 카메라(NEARCam), 근적외선 분광기(NEARSpec), 미세 유도 센서와 근적외선 이미저 및 무슬릿 분광기(FGS-NIRISS) 등 세 가지가 모두 근적외선 부분에서 작동합니다. 이름에서 알 수 있듯이 스펙트럼. 근적외선은 스펙트럼의 가시 부분 바로 아래에 있는 약 0.6~5.0μm입니다. 이러한 파장을 위한 센서는 수은, 카드뮴, 텔루르(Hg:Cd:Te)의 합금을 사용하며 사용하려면 약 70켈빈까지 냉각해야 합니다.

지구 기반 근적외선 망원경의 경우 Hg:Cd:Te 센서 냉각은 일반적으로 액체 질소를 사용하여 수행됩니다. 그러나 Webb에서는 타오르는 태양 빛과 지구에서 반사되는 빛으로부터 관측소를 보호하는 거대한 5겹 차양 덕분에 또 다른 옵션을 사용할 수 있습니다. 망원경의 후광 궤도 덕분에 항상 보기에. Webb의 알루미늄 처리된 Kapton 차양의 층은 입사 IR이 인접한 층 사이에서 반사되어 어두운 면의 민감한 광학 장치에 층을 관통하는 대신 차양에 거의 수직인 공간으로 방출되도록 간격을 두고 있습니다. 차양은 뜨거운 쪽에서 대략 200kW의 에너지를 받는 반면, 차가운 쪽에서는 23mW만 통과하도록 허용합니다. 이렇게 하면 장비가 40K의 극한 온도로 유지됩니다. 이는 3개의 근적외선 장비에 충분히 차가운 온도입니다.