Wärmelast des JWST-Detektors

Die meiste Wärme auf den Detektoren und Teleskopkomponenten stammt vom Raumfahrzeug selbst, nicht von der Beleuchtung aus astrophysikalischen Quellen. Ich habe den Teil "Wärme aus astronomischen Quellen" am Ende aktualisiert, um dies zu quantifizieren.

Dieses Bild zeigt die thermischen Regionen von JWST (es gibt hübschere Versionen , aber auf ihnen sind die Temperaturen nicht aufgedruckt):

Dieses Design hält die kalte Seite auf einer ziemlich konstanten Temperatur. Hier sind ein paar weitere Details zu Teilen der Frage, aber wenn andere mehr technische Informationen haben, bearbeiten Sie bitte:

Spiegel: Die Spiegel und andere Teile des Teleskops erzeugen je nach ihrer eigenen Temperatur Wärmestrahlung, die auf der kalten Seite bei etwa 40 K liegen sollte. Die niedrige Temperatur ist wichtig, da sie eine geringe Hintergrundstrahlung bedeutet. Wichtig ist auch die thermische Stabilität. Die Umgebung ist bei L2 sehr stabil, was wichtig ist, denn wenn sich die Temperatur des Teleskopteils (einschließlich der Spiegel) ändert, ändert sich der Hintergrund, sodass sich alle wissenschaftlichen Korrekturen damit ändern müssen.

Die Spiegel sind dem Weltraum ausgesetzt, werden also ständig von astronomischen Objekten, der kalten Seite des Hitzeschildes usw. bestrahlt. In Bezug auf die Erwärmung werden sie vom gesamten Himmel bestrahlt, egal in welche Richtung das Teleskop gerichtet ist. Die Temperatur von 40 K ist also das Gleichgewicht zwischen der gesamten Wärme, die sie erhalten, und der gesamten Wärme, die sie abstrahlen. Der Vorteil ist, dass sie zurück in den Weltraum strahlen können:

Detektoren: Diese werden in einer Kühlbox, dem ISIM, aufbewahrt. Sie sehen den Himmel nicht, außer durch den Lichtstrahl, der vom Teleskop kommt. Die Elektronik ist weiter von den Detektoren selbst getrennt, um die Detektoren auf einer sehr konstanten Temperatur zu halten. Alle tatsächlichen wissenschaftlichen Beobachtungen sind unterschiedlich, ein A - B. Das ist der Grund, warum ein stabiles thermisches System genauso wichtig ist wie ein kaltes. Es ist tatsächlich komplizierter als A - B, eher wie eine Reihe von Messungen B, A1, A2, A3 usw., und an die "Rampe" der einzelnen Messungen wird eine Steigung angepasst. Ein stabiler Hintergrund sollte sich also in den Wissenschaftsdaten aufheben.

Leitung: Dies wurde in der Frage nicht ausdrücklich erwähnt, aber bei angebrachter Sonnenblende ist die Leitung ein großes Hitzeproblem für das Teleskop und die Instrumente. Alle diese Geräte sind immer noch an den Komponenten auf der heißen Seite befestigt, daher haben die Ingenieure viel darüber nachgedacht, die hin und her geleitete Wärme zu managen (die Instrumente auf der kalten Seite sind mit Radiatoren auf der heißen Seite verbunden).

Wärme aus astronomischen Quellen:

In der Frage geht es um thermische Belastungen, die sich je nach beobachteter Quelle ändern, und @uhoh, das mit einer Himmelskugelfrage verknüpft ist. Aber JWST (einschließlich Spiegel) ist ein Teleskop mit offenem Design, sodass der gesamte Himmel (na ja, die Anti-Sonnen-Hälfte des Himmels) die ganze Zeit darauf scheint, egal wohin es zeigt. Es gibt also nicht viel Veränderung, je nachdem, wohin das Teleskop zeigt. Für die Detektoren hält eine aktive Kühlung sie auf einer konstanten Temperatur, so dass Unterschiede in der Quellenhelligkeit ausgeglichen werden sollten. Mehr als die eigentliche Erwärmung kann „Beharrlichkeit“ ein größeres Problem von hellen Quellen sein. Es ist wie ein Nachbild auf dem Detektor, bei dem es eine Weile dauert, bis der Detektor die helle Quelle vergisst und zur Grundlinie zurückkehrt.

Ein Artikel von Mathis et al. wurde als "Benchmark" für Messungen des lokalen interstellaren Strahlungsfelds (ISRF) bezeichnet. Hier ist Abbildung 1 aus ihrer Arbeit, in der ich die relevanten Kurven ungeschickt hervorgehoben habe:

Hier ist ihre Beschreibung der gelben Kurve:

Die mittlere Strahlungsintensität an einem typischen Punkt in der Galaxie kann sinnvollerweise als in zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche teilbar betrachtet werden. Der ultraviolette, sichtbare und nahe Infrarotbereich des Spektrums ( 𝜆 ≤ 8 μm) wird praktisch vollständig von Sternen verschiedener Art erzeugt. Der mittlere und ferne Infrarotbereich ( 𝜆 ≥ 8 μm) wird vollständig aus Staub erzeugt, entweder warm (in zirkumstellaren Hüllen) oder kalt.

Die grüne Kurve ist das CMB-Spektrum (in dieser Veröffentlichung von 1983 mit 2,9 K bezeichnet, das wir jetzt aber mit 2,7 K annehmen).

Mathiset al. geben integrierte Intensitäten für die Stern- und Staubkomponenten an, die ich hier unter Verwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes in µW m ^-2 und Gleichgewichtstemperaturen umgerechnet habe :

Es gibt auch etwas Strahlung von Tierkreisstaub, aber das habe ich nicht nachgeschlagen. Es würde immer noch weniger zur Erwärmung beitragen als das Sternenlicht.

Zum Vergleich: Wintertemperaturen in permanent beschatteten Mondkratern können etwa 20 K erreichen ( Williams et al. 2019 ).

Sky ist im Durchschnitt 2,7K groß. Nun, nur wenn die Sonne außerhalb Ihres Mittelungsbereichs steht.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist die dominierende sichtbare Energie in unserem Universum. Sterne, Quasare und andere Quellen basieren alle auf Baryonenmaterie, die im Vergleich zu den CMB-Photonen eine ziemlich geringe Menge ist.

Dies gilt sowohl für den gesamten Himmel als auch für jedes mögliche Gesichtsfeld, das ein von der Sonne abgeschattetes Teleskop haben kann.

Kurz gesagt: Die Hauptwärmequelle auf der kalten Seite von JWST ist die heiße Seite. Jedes Sichtfeld, dem sich das Teleskop zuwenden kann, ist (im Durchschnitt) viel kälter als das Teleskop selbst.