我们再回看韦伯望远镜的冷却工作

“在过去三个月的大部分时间里，中红外仪器 (MIRI) 和其他韦伯仪器一直在通过将热能辐射到黑暗的太空中来冷却。近红外仪器的工作温度约为 34 至 39 开尔文，被动冷却。但是 MIRI 的探测器还需要变得更冷，才能探测到更长波长的光子。这就是 MIRI 低温冷却器的用武之地。

必要时，MIRI 的探测器是使用一种特殊的掺砷硅 (Si:As) 配方制造的，它需要在低于 7 开尔文的温度下才能正常工作。仅靠被动方式是不可能达到这个温度的，因此韦伯携带了一个专门用于冷却 MIRI 探测器的“低温冷却器”。图片来源：NASA/JPL-Caltech。

“在过去的几周里，低温冷却器一直在通过 MIRI 光学平台循环冷氦气，这将有助于将其冷却到大约 15 开尔文。很快，低温冷却器即将经历其任务中最具挑战性的日子。通过操作低温阀，低温冷却器将改变循环氦气并迫使其通过流量限制。随着气体在离开限制时膨胀，它变得更冷，然后可以将 MIRI 探测器带到低于 7 开尔文的凉爽工作温度。但首先，低温冷却器必须通过“夹点”——在接近 15 开尔文的温度范围内过渡，此时低温冷却器的散热能力最低。几个时间关键的阀门和压缩机操作将快速连续执行，根据 MIRI 低温冷却器温度和流量测量值进行调整。特别具有挑战性的是，在流动重定向之后，冷却能力随着温度的降低而变得更好。另一方面，如果由于例如比模型热负荷大而没有立即实现冷却，MIRI 将开始升温。

“一旦低温冷却器克服了剩余的热负荷，它将在任务的剩余时间内进入低功率稳定科学运行状态。这种夹点事件已在管理 MIRI 低温冷却器的美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 的低温冷却器试验台以及该机构戈达德太空飞行中心和约翰逊航天中心的韦伯测试期间得到广泛实践。在轨道上执行它将得到由 JPL、戈达德和太空望远镜科学研究所的人员组成的运营团队的支持。MIRI 低温冷却器由诺斯罗普·格鲁曼航天系统公司开发。MIRI 是作为 NASA 和 ESA（欧洲航天局）之间 50/50 的合作伙伴关系开发的，JPL 领导美国的努力，欧洲天文研究所的多国财团为 ESA 做出了贡献。”

– Konstantin Penanen 和 Bret Naylor，低温冷却器专家，NASA JPL

“MIRI 从韦伯的其他仪器中脱颖而出，因为它的红外波长要长得多，而其他仪器都以“N”开头，表示“近红外”。MIRI 将支持仪器套件探索红外宇宙，其深度和细节远远超出天文学家迄今为止所能获得的任何东西。

“该成像仪有望揭示从附近星云到遥远相互作用星系的天文目标，其清晰度和灵敏度远远超出我们以前所见。我们对这些闪闪发光的科学宝藏的掌握依赖于 MIRI 被冷却到低于天文台其他部分的温度，使用它自己的专用冰箱。温度与地球相似的系外行星在中红外光下会发出最亮的光。因此，美里配备了四台日冕仪，这些日冕仪经过精心设计，可在其母星明亮的眩光下探测此类行星。然后可以通过 MIRI 的两个光谱仪测量外巨行星（类似于我们自己的木星）的详细颜色，以揭示其大气中气体（包括水、臭氧、甲烷、氨、

MIRI 于 2012 年在马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心的巨大洁净室中接受检查。图片来源：NASA/Chris Gunn。

“怎么这么冷？MIRI 最先进的光敏探测器被调整为在中红外范围内工作，除非它们被冷却到 7 开尔文（-266 摄氏度或 -447 华氏度）以下，否则它们是盲目的。相比之下，标准的家用冰箱将其内容物冷却到约 255 开尔文（-18 摄氏度，或 -0.7 华氏度）。在更高的温度下，任何可能从天空检测到的信号都会在其内部产生的“暗电流”信号之下丢失。即使探测器被冷却，如果 MIRI 自己的镜子和铝结构发出的热红外光的温度超过 15 开尔文（-258 摄氏度或-433 华氏度），韦伯图像仍然会被淹没。工程解决方案是将 MIRI 与韦伯主镜后面的仪器安装结构隔开，就像六根碳纤维腿上的高科技金属蜘蛛一样。这些将 MIRI 与更热的望远镜（45 开尔文，或 -228 摄氏度/-379 华氏度，有资格更热）隔离开来。该仪器的机身还包裹着一层闪亮的铝涂层热毯，可以反射周围环境的辐射热。

“让这个仪器冷却是韦伯在 MIRI 团队真正放松之前面临的最后主要挑战之一，而通过冷却器的“夹点”将是这一挑战中最艰巨的一步。届时，冷却器将带走三个月前那个热带发射日早晨 MIRI 100 公斤（220 磅）金属和玻璃中剩余的几乎所有热量。MIRI 将是韦伯四台仪器中最后一台睁开眼睛观察宇宙的仪器。”

– Alistair Glasse，Webb-MIRI 仪器科学家，英国天文技术中心和 Macarena Garcia Marin，MIRI 仪器和校准科学家，ESA