Tão frio quanto parece: o crioresfriador do Telescópio Webb

Se lhe pedissem para nomear o ponto mais frio do sistema solar, é bem provável que você pensasse que estaria em algum lugar o mais longe possível da fonte final de toda a energia do sistema - o Sol. É lógico que quanto mais longe você fica de algo quente, mais o calor se espalha. E então Plutão, planeta ou não, pode ser um bom palpite para a baixa temperatura recorde.

Mas, por mais frio que Plutão fique - até 40 Kelvin - há um lugar muito, muito mais frio do que isso e, paradoxalmente, muito mais perto de casa. Na verdade, está a apenas cerca de um milhão de milhas de distância e, agora, a apenas 6 Kelvin, o pedaço de silício no plano focal de um dos principais instrumentos a bordo do telescópio espacial James Webb faz com que a superfície de Plutão pareça absolutamente amena. .

A profundidade do frio em Webb é ainda mais surpreendente, dado que a poucos metros de distância, a temperatura é de 324 K (123 F, 51 C). Os comos e os porquês dos sistemas de resfriamento de Webb estão repletos de detalhes interessantes de engenharia e valem uma análise aprofundada enquanto o mais novo telescópio espacial do mundo se prepara para observações.

Provavelmente, a primeira pergunta mais óbvia sobre crioresfriadores no espaço é: por que diabos o Webb precisa de um crioresfriador? O espaço, especialmente a área ao redor da órbita do halo de Webb em torno do ponto Lagrange L2, já não é frio o suficiente? Em uma palavra, não - a astronomia infravermelha para a qual os instrumentos do Webb foram projetados, o espaço não está nem perto de ser frio o suficiente. Mas o que há de tão especial na astronomia infravermelha e por que ela requer temperaturas tão baixas?

Desde seus primeiros projetos, o que se tornaria o Telescópio Espacial James Webb sempre foi concebido como um telescópio infravermelho. Isso ocorre porque os objetos que Webb pretendia estudar estão entre os objetos mais antigos do universo, e a Lei de Hubble nos diz que quanto mais longe um objeto está, mais rápido ele se afasta da Terra, a luz deles será dramaticamente vermelha. deslocado graças ao efeito Doppler. Isso significa que a luz de praticamente tudo para o qual o Webb será apontado está em algum lugar na parte infravermelha do espectro. Os quatro pacotes de instrumentos de imagem e espectrografia do Webb podem cobrir desde a borda da porção visível do espectro, em torno de 0,6 μm de comprimento de onda, até os comprimentos de onda do infravermelho médio, em torno de 28 μm. Para referência, as microondas começam em comprimentos de onda de cerca de 100 μm, então a frequência da luz que o Webb foi projetado para estudar não está muito acima da parte do rádio do espectro eletromagnético.

O problema com a astronomia infravermelha é que os sensores usados ​​para captar a luz são facilmente subjugados pelo calor ao seu redor, que irradia na região infravermelha. Além disso, os fotossensores usados ​​em telescópios infravermelhos são suscetíveis à corrente escura, que é um fluxo de corrente no sensor mesmo na ausência de qualquer luz incidindo sobre ele. A corrente escura é causada principalmente pela estimulação térmica de elétrons dentro do material do sensor, portanto, manter o sensor o mais frio possível ajuda muito a reduzir o ruído.

Como afirmado anteriormente, Webb tem quatro instrumentos principais. Três deles - a Near-Infrared Camera (NEARCam), o Near-Infrared Spectrograph (NEARSpec) e o Fine Guidance Sensor and Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS) - todos operam na parte do infravermelho próximo do o espectro, como seus nomes sugerem. O infravermelho próximo está logo abaixo da parte visível do espectro, em torno de 0,6 a 5,0 μm. Os sensores para esses comprimentos de onda usam uma liga de mercúrio, cádmio e telúrio (Hg:Cd:Te) e requerem resfriamento até cerca de 70 Kelvin para serem usados.

Para telescópios de infravermelho próximo baseados na Terra, o resfriamento dos sensores Hg:Cd:Te geralmente é feito com nitrogênio líquido. No Webb, porém, outra opção está disponível, graças ao maciço guarda-sol de cinco camadas que protege o observatório da luz escaldante do Sol, bem como da luz refletida da Terra, que graças à órbita do halo do telescópio é sempre em vista. As camadas do guarda-sol Kapton aluminizado de Webb são espaçadas de tal forma que o IR incidente salta entre as camadas adjacentes e, eventualmente, irradia para o espaço mais ou menos perpendicular ao guarda-sol, em vez de penetrar através das camadas para a ótica sensível em seu lado escuro. A sombrinha recebe cerca de 200 kW de energia no lado quente, deixando passar apenas 23 mW para o lado frio. Isso mantém os instrumentos localizados em 40 K gelados, o que é bastante frio para os três instrumentos de infravermelho próximo.