Warum brauchte das Weltraumteleskop Herschel Helium als Kühlmittel?

Stellen Sie sich vor, Ihre Teleskopoptik sähe aus wie dieses glühende Glas!

Herschels Instrumente betrachten die Welt im Wellenlängenbereich von 55–672 µm. Wenn es als Funktion der Wellenlänge aufgetragen wird, hat das thermische Spektrum eines schwarzen Körpers einen Spitzenwert $\approx 5 k_\mathrm B T$. Der Siedepunkt von flüssigem Helium beträgt 4,2 K. Die Spitzenwellenlänge für etwas bei dieser Temperatur wäre dann gegeben durch

Mit Boltzman konstant $k_\mathrm B$von etwa 1,381 E-23 J/K und der Planckschen Konstante von 6,626 E-34 J s, sollte das Spektrum bei etwa 700 µm gipfeln, so dass selbst wenn die Optik die Temperatur von flüssigem Helium hätte, es schwierig wäre, schwache Objekte länger zu sehen Wellenlängen über den hell leuchtenden Spiegeln und Optiken.

Laut Wikipedia :

Das vom Spiegel reflektierte Licht wurde auf drei Instrumente fokussiert, deren Detektoren auf Temperaturen unter 2 K (−271 °C) gehalten wurden. Die Instrumente wurden mit über 2.300 Litern (510 imp gal; 610 US gal) flüssigem Helium gekühlt, das in einem nahezu Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 1,4 K (–272 ° C) verdampfte. Die Versorgung mit Helium an Bord des Raumfahrzeugs war eine grundlegende Grenze für die Betriebslebensdauer des Weltraumobservatoriums; Ursprünglich sollte es mindestens drei Jahre in Betrieb sein.

• Also ließen sie das Helium bei sehr niedrigem Druck sieden, um seinen Siedepunkt auf 1,4 K zu senken.

• Der Hauptspiegel war im Infraroten stark reflektierend, was bedeutet, dass sein Emissionsgrad niedrig war, wahrscheinlich unter 0,01. Dies trägt dazu bei, die Emission noch weiter zu reduzieren. Laut der Mission des Herschel-Weltraumteleskops der BBC war der Hauptspiegel bei etwa 90 K

• Für mindestens eines der Instrumente mussten SPIRE- Innenspiegel und die Sensoren auf 0,3 K gehalten werden. Der Kühlschrank dafür benötigte eine Kühlmasse auf seiner "heißen Seite" und ein langsames Abkochen von flüssigem Helium sorgte für eine solche Senke.

Das Herschel-Teleskop musste extrem kalt gehalten werden, um seine kalten Ziele zu untersuchen

Okay, kalt, aber warum Helium und nicht die Kälte des Weltraums?

• Die Abkühlung des Weltraums wird durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund begrenzt , und seine charakteristische Temperatur beträgt etwa 2,7 K. Das ist einfach nicht kalt genug für die Optik des Teleskops.

• Auch wenn die Abstrahlung in die Kälte des Weltraums neben flüssigem Helium theoretisch eine Kühlquelle darstellt, ist dies ziemlich ineffizient und alles, was es braucht, ist eine kurze Exposition gegenüber der heißen Erde oder ein winziges bisschen Sonnenlicht, um alles dramatisch aufzuwärmen, was Herschel wiedergibt zumindest vorübergehend blind.

• Stattdessen kann das kalte optische System mit dem aktuellen Design verpackt und sorgfältig isoliert werden, und das Abdampfen des Heliums, das in den Weltraum abgelassen wird, trägt die Wärme ab.

Weiterlesen:

• SPIRE – Empfänger für spektrale und photometrische Bildgebung
• Die Photodetektor-Array-Kamera und das Spektrometer (PACS) für das Weltraumobservatorium Herschel
• SPIRE - ein Bolometer-Instrument für FIRST

Herschel stellte sich den "kalten Kosmos" vor - Orte, an denen Gas und Staub zusammenkommen, um Sterne zu bilden. Hier, im Rosettennebel, im Sternbild Monoceros, wird gerade eine Masse neuer Sterne (helle Flecken) zum Leben erweckt

Herschel war ein Infrarot-Weltraumteleskop. Laut diesem Papier

Es wird erwartet, dass die Leistung nicht weit von der Begrenzung des Hintergrundrauschens entfernt ist, mit Empfindlichkeiten (5σ in 1h) von ∼ 4 mJy oder 3 − 20 ×$10^{−18}$W/m$^2$, bzw.

Bei den meisten Temperaturen würde die vom Raumfahrzeug selbst abgestrahlte Wärmemenge die Infrarotsignale, die es erkennen sollte, leicht überwältigen.

Um das thermische Rauschen zu reduzieren, wurden die Instrumente mit flüssigem Helium gekühlt. Diese Praxis ist ziemlich typisch für andere Infrarotinstrumente und für Radioteleskope.