Carga de calor del detector JWST

La mayor parte del calor en los detectores y los componentes del telescopio proviene de la propia nave espacial, no de la iluminación de fuentes astrofísicas. Actualicé la parte de "calor de fuentes astronómicas" al final para cuantificar esto.

Esta imagen muestra las regiones térmicas de JWST (hay versiones más bonitas pero no tienen las temperaturas impresas):

Este diseño mantiene el lado frío a una temperatura bastante constante. Aquí hay algunos detalles más sobre partes de la pregunta, pero si otros tienen más información técnica, edite:

Espejos: Los espejos y otras partes del telescopio producirán radiación térmica dependiendo de su propia temperatura, que en el lado frío debería estar cerca de los 40 K. La baja temperatura es importante porque significa baja radiación de fondo. También es importante la estabilidad térmica. El entorno es muy estable en L2, lo cual es importante porque si la temperatura de la parte del telescopio (incluidos los espejos) cambia, entonces cambia el fondo, por lo que todas las correcciones científicas tienen que cambiar con él.

Los espejos están expuestos al espacio, por lo que están siendo constantemente irradiados por objetos astronómicos, el lado frío del escudo térmico, etc. En términos de calentamiento, están siendo irradiados por todo el cielo sin importar en qué dirección apunte el telescopio. Entonces, la temperatura de 40 K es el equilibrio entre todo el calor que reciben y todo el calor que irradian. La ventaja es que llegan a irradiar de vuelta al espacio:

Detectores: Estos se guardan en una caja refrigerada, el ISIM. No ven el cielo, excepto por el haz de luz que sale del telescopio. La electrónica está aún más separada de los detectores en sí, para mantener los detectores a una temperatura muy constante. Todas las observaciones científicas reales son diferenciales, un A - B. Esa es la razón por la que tener un sistema térmico estable es tan importante como tener uno frío. En realidad, es más complicado que A - B, más como una serie de medidas B, A1, A2, A3, etc., y se ajusta una pendiente a la "rampa" de las medidas individuales. Entonces, un fondo estable debería cancelarse en los datos científicos.

Conducción: esto no se mencionó específicamente en la pregunta, pero con el protector solar en su lugar, una gran preocupación por el calor para el telescopio y los instrumentos es la conducción. Todo ese equipo todavía está conectado a los componentes del lado caliente, por lo que los ingenieros pensaron mucho en administrar el calor que se transmite de un lado a otro (los instrumentos del lado frío están conectados a los radiadores del lado caliente).

Calor de fuentes astronómicas:

La pregunta habla sobre el cambio de las cargas térmicas según la fuente que se observa, y @uhoh está vinculado a una pregunta sobre la esfera celeste. Pero JWST (incluidos los espejos) es un telescopio de diseño abierto, por lo que todo el cielo (bueno, la mitad del cielo anti-Sol) continúa brillando sobre él todo el tiempo, sin importar hacia dónde apunte. Por lo tanto, no hay muchos cambios dependiendo de hacia dónde apunte el telescopio. Para los detectores, el enfriamiento activo los mantiene a una temperatura constante, por lo que debería compensar las diferencias en el brillo de la fuente. Más que el calentamiento real, la "persistencia" puede ser un problema mayor de fuentes brillantes. Es como una imagen secundaria en el detector, donde el detector tarda un tiempo en olvidar la fuente brillante y volver a la línea de base.

Un artículo de 1983 de Mathis et al. ha sido llamado el "punto de referencia" de las mediciones del campo de radiación interestelar local (ISRF). Aquí está la Figura 1 de su artículo, donde torpemente resalté las curvas relevantes:

Aquí está su descripción de la curva amarilla:

La intensidad media de la radiación en un punto típico de la galaxia puede considerarse útilmente divisible en dos rangos de longitud de onda distintos. La región ultravioleta-visible-infrarrojo cercano del espectro ( 𝜆 ≤ 8 μm) se produce prácticamente en su totalidad a partir de estrellas de varios tipos. La región del infrarrojo medio y lejano ( 𝜆 ≥ 8 μm) se produce completamente a partir de polvo, ya sea cálido (en capas circunestelares) o frío.

La curva verde es el espectro CMB (etiquetado como 2,9 K en este artículo de 1983, pero que ahora tomamos como 2,7 K).

Mathis et al. proporcione intensidades integradas para los componentes estelares y de polvo, que he convertido aquí en µW m ^-2 y temperaturas de equilibrio utilizando la ley de Stefan-Boltzmann :

También hay algo de radiación proveniente del polvo zodiacal, pero no busqué eso. Todavía contribuiría menos calor que la luz de las estrellas.

A modo de comparación, las temperaturas invernales en cráteres lunares permanentemente sombreados pueden alcanzar unos 20 K ( Williams et al. 2019 ).

Sky es 2.7K en promedio. Bueno, solo si el Sol está fuera de tu área de promedio.

El fondo cósmico de microondas es la energía visible dominante en nuestro universo. Las estrellas, los cuásares y otras fuentes se basan en materia bariónica, que es una cantidad bastante menor con respecto a los fotones CMB.

Esto es cierto tanto para todo el cielo como para cualquier posible campo de visión que pueda tener un telescopio a la sombra del Sol.

Entonces, en resumen: la principal fuente de calor en el lado frío de JWST es el lado caliente. Cualquier campo de visión al que pueda recurrir el telescopio es mucho más frío (en promedio) que el propio telescopio.