Камера ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр NICMOS на телескопе Хаббл

Введение

Ближняя инфракрасная камера и многообъектный спектрометр (NICMOS) — это научный инструмент для инфракрасной астрономии, установленный на космическом телескопе Хаббла (HST), работавший с 1997 по 1999 год и с 2002 по 2008 год. Изображения, созданные с помощью NICMOS, содержат данные из ближней инфракрасной области спектра света. NICMOS был разработан и сконструирован группой определения характеристик приборов NICMOS, базирующейся в обсерватории Стюарда, Университета Аризоны, США. NICMOS представляет собой прибор для получения изображений и многообъектный спектрометр, созданный компанией Ball Aerospace & Technologies Corp., который позволяет HST наблюдать инфракрасное излучение с длиной волны от 0,8 до 2,4 микрометра, обеспечивая возможность получения изображений и бесщелевой спектрофотометрии. NICMOS содержит три ближних инфракрасных детектора в трех оптических каналах, обеспечивающих высокое разрешение (~0,1 угловой секунды), коронографическую и поляриметрическую съемку, а также бесщелевую спектроскопию в полях зрения размером 11, 19 и 52 квадратных угловых секунды. Каждый оптический канал содержит фотодиодную матрицу размером 256×256 пикселей, состоящую из инфракрасных детекторов на основе теллурида ртути-кадмия, прикрепленных к сапфировой подложке и считываемых в четырех независимых квадрантах 128×128. NICMOS в последний раз функционировал в 2008 году и в значительной степени был заменен инфракрасным каналом камеры Wide Field Camera 3 после ее установки в 2009 году.

Ограничения

Инфракрасные возможности телескопа Хаббл имеют ограничения, поскольку изначально он не проектировался с акцентом на инфракрасную производительность. Например, зеркало поддерживается в стабильном и относительно высоком температурном режиме (15 °C) с помощью нагревателей. HST – это теплый телескоп. В инфракрасном фоновом потоке, регистрируемом охлаждаемыми приборами фокальной плоскости, такими как NICMOS или WFC3, на относительно коротких длинах волн доминирует тепловое излучение самого телескопа, а не зодиакальное рассеяние. Данные, полученные с помощью NICMOS, показывают, что фон телескопа превышает зодиакальный фон на длинах волн, превышающих λ ≈ 1,6 мкм, точное значение зависит от направления наблюдения и положения Земли на орбите. Тем не менее, сочетание зеркала Хаббла и NICMOS обеспечивало беспрецедентный уровень качества наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне для своего времени. Специализированные инфракрасные телескопы, такие как Инфракрасная космическая обсерватория, были революционными в своей области, но имели меньшее первичное зеркало и также были выведены из эксплуатации к моменту установки NICMOS из-за исчерпания запаса хладагента. Позднее NICMOS решил эту проблему, используя механическую систему охлаждения, подобную холодильнику, что позволило ему работать в течение многих лет до отключения в 2008 году.

История NICMOS

NICMOS был установлен на телескопе «Хаббл» во время второй миссии по обслуживанию в 1997 году (STS 82) вместе с космическим телескопом изображений и спектрографом, заменив два предыдущих прибора. В свою очередь, NICMOS был в значительной степени вытеснен камерой Wide Field Camera 3, которая обладает гораздо большим полем зрения (135 на 127 угловых секунд, или 2,3 на 2,1 угловых минуты) и достигает почти такой же дальности в инфракрасном диапазоне. При проведении инфракрасных измерений необходимо охлаждать инфракрасные детекторы, чтобы избежать инфракрасных помех от собственного теплового излучения прибора. NICMOS содержит криогенный девар, который охлаждает его детекторы примерно до 61 К, а оптические фильтры – до ~105 К, с использованием блока твердого азота. При установке NICMOS в 1997 году в деваре содержался блок азотного льда весом 104 кг. Из-за теплового короткого замыкания, возникшего 4 марта 1997 года во время ввода прибора в эксплуатацию, запас азотного хладагента в деваре закончился раньше ожидаемого, в январе 1999 года. Во время миссии по обслуживанию 3B в 2002 году (STS 109) на «Хаббл» была установлена заменяющая система охлаждения, состоящая из криокулера, криогенного циркулятора и внешнего радиатора, которая теперь охлаждает NICMOS через криогенный неоновый контур. Система охлаждения NICMOS (NCS) была разработана в очень сжатые сроки (14 месяцев против 5–10 лет для другого оборудования «Хаббла»). NICMOS был возвращен в строй вскоре после SM 3B. Новая загрузка программного обеспечения в сентябре 2008 года потребовала кратковременного отключения системы охлаждения NICMOS. Несколько попыток перезапустить систему охлаждения оказались безуспешными из-за проблем с криогенным циркулятором. После более чем шести недель ожидания прогрева компонентов прибора и теоретической сублимации частиц льда из неонового контура циркуляции охладитель снова не смог перезапуститься. Тогда NASA созвала комиссию по анализу аномалий (ARB). ARB пришла к выводу, что во время попытки перезапуска в сентябре 2008 года лед или другие твердые частицы переместились из девара в циркулятор, что могло привести к его повреждению, и определила альтернативный набор параметров запуска. Успешный перезапуск в 13:30 по восточному времени 16 декабря 2008 года привел к четырем дням работы охладителя, за которыми последовало новое отключение. 1 августа 2009 года охладитель был перезапущен; ожидалось, что NICMOS возобновит работу в середине февраля 2010 года и работал до 22 октября 2009 года, когда сбой в системе обработки данных «Хаббла» привел к отключению телескопа. В течение этого периода работы скорость циркуляции в NICMOS значительно снизилась, что подтверждало наличие засорения в контуре циркуляции. Продолжение работы при сниженной скорости потока ограничило бы научные возможности NICMOS, поэтому NASA разработала планы по очистке и повторному заполнению контура циркуляции чистым неоновым газом. Контур циркуляции оснащен дополнительным резервуаром с неоном и дистанционно управляемыми электромагнитными клапанами для очистки и заполнения на орбите. По состоянию на 2013 год эти операции по очистке и заполнению еще не были выполнены. WFC3, установленный в 2009 году, был разработан для частичной замены NICMOS. 18 июня 2010 года было объявлено, что NICMOS не будет доступен для научных исследований во время последнего конкурсного цикла 18. По состоянию на 2013 год решение о том, будут ли проводиться операции по очистке и заполнению, и будет ли NICMOS доступен для научных исследований в будущем, не было принято. NICMOS также является названием 256×256 пиксельного сенсора изображения устройства, разработанного компанией Rockwell International Electro Optical Center (ныне DRS Technologies).

NICMOS was installed on Hubble during its second servicing mission in 1997 (STS 82) along with the Space Telescope Imaging Spectrograph, replacing two earlier instruments. NICMOS in turn has been largely superseded by the Wide Field Camera 3, which has a much larger field of view (135 by 127 arcsec, or 2.3 by 2.1 arcminutes), and reaches almost as far into the infrared. When conducting infrared measurements, it is necessary to keep the infrared detectors cooled to avoid having infrared interference from the instrument's own thermal emissions. NICMOS contains a cryogenic dewar, that cooled its detectors to about 61 K, and optical filters to ~ 105 K, with a block of solid nitrogen ice. When NICMOS was installed in 1997, the dewar flask contained a 230 pound (104 kg) block of nitrogen ice. Due to a thermal short that arose on March 4, 1997, during the instrument commissioning, the dewar ran out of nitrogen coolant sooner than expected in January 1999. During Hubble Service Mission 3B in 2002 (STS 109), a replacement cooling system comprising a cryocooler, cryogenic circulator, and external radiator was installed on the Hubble that now cools NICMOS through a cryogenic neon loop. The NICMOS Cooling System (NCS) was developed on a very accelerated schedule (14 months vs. 5–10 years for other Hubble instrument hardware). NICMOS was returned to service soon after SM 3B. A new software upload in September 2008 necessitated a brief shutdown of the NICMOS cooling system. Several attempts to restart the cooling system were unsuccessful due to issues with the cryogenic circulator. After waiting more than six weeks for parts of the instrument to warm up, and theorized ice particles to sublimate from the neon circulating loop, the cooler once again failed to restart. An Anomaly Review Board (ARB) was then convened by NASA. The ARB concluded that ice or other solid particle migrated from the dewar to the circulator during the September 2008 restart attempt and that the circulator may be damaged, and determined an alternative set of startup parameters. A successful restart at 13:30 EST on 16 December 2008 led to four days of cooler operations followed by another shutdown. On 1 August 2009, the cooler was restarted again; NICMOS was expected to resume operations in mid February 2010 and operated through October 22, 2009, at which point a lock up of Hubble's data handling system caused the telescope to shut down. The circulation flow rate to NICMOS was greatly reduced during this operating period confirming blockage in the circulation loop. Continued operation at reduced flow rates would limit NICMOS science so plans for purging and refilling the circulation system with clean neon gas were developed by NASA. The circulation loop is equipped with an extra neon tank and remotely operated solenoid valves for on orbit purge fill operations. As of 2013, these purge fill operations have not yet been performed. WFC3, installed 2009, was designed to partly replace NICMOS. On June 18, 2010, it was announced NICMOS would not be available for science during the latest proposal Cycle 18. As of 2013, a decision as to whether the purge fill operations will be performed and whether NICMOS will be available for science in the future has not been made. NICMOS is also the name of the device's 256×256 pixel imaging sensor built by Rockwell International Electro Optical Center (now DRS Technologies).

Научные результаты

NICMOS был известен своими достижениями в ближней инфракрасной космической астрономии, особенно способностью видеть объекты сквозь пыль. В планетарной науке NICMOS использовался для обнаружения ударного бассейна на южном полюсе астероида 4 Веста. (В 2010-х годах 4 Весту посетил космический аппарат Dawn, который исследовал его более детально, выйдя на орбиту вокруг него.) В 2009 году старое изображение, полученное с помощью NICMOS, было обработано для демонстрации прогнозируемой экзопланеты вокруг звезды HR 8799. Экзопланеты были первоначально обнаружены с помощью телескопов Кека и телескопа Gemini North в период с 2007 по 2010 год. Это использует спектроскопические возможности прибора, а в астрономии спектроскопия во время планетарного транзита (когда экзопланета проходит перед звездой с точки зрения Земли) является способом изучения возможной атмосферы экзопланеты.