NIRSpec

El NIRSpec ( espectrógrafo de infrarrojo cercano ) es uno de los cuatro instrumentos científicos que vuelan en el telescopio espacial James Webb (JWST). ^{[ 2 ]} El JWST es la misión sucesora del telescopio espacial Hubble (HST) y fue desarrollado para obtener más información sobre los orígenes del universo mediante la observación de la luz infrarroja de las primeras estrellas y galaxias. En comparación con el HST, sus instrumentos miran más atrás en el tiempo y estudian la llamada Edad Oscura durante la cual el universo era opaco, aproximadamente de 150 a 800 millones de años después del Big Bang .

El instrumento NIRSpec es un espectrógrafo multiobjeto capaz de medir simultáneamente el espectro infrarrojo cercano de hasta 100 objetos, como estrellas o galaxias, con resoluciones espectrales bajas, medias y altas. Las observaciones se realizan en un campo de visión de 3 arcmin × 3 arcmin en el rango de longitudes de onda de 0,6 μm a 5,0 μm. También cuenta con un conjunto de rendijas y una apertura para espectroscopia de alto contraste de fuentes individuales, así como una unidad de campo integral (IFU) para espectroscopia 3D . ^{[ 3 ]} El instrumento es una contribución de la Agencia Espacial Europea (ESA) y fue construido por Astrium junto con un grupo de subcontratistas europeos. ^{[ 4 ]} 

Los principales temas científicos del Telescopio Espacial James Webb son: ^{[ 5 ]}

• Primera luz y reionización
• el ensamblaje de galaxias,
• el nacimiento de las estrellas y los sistemas protoplanetarios
• El nacimiento de los sistemas planetarios y los orígenes de la vida

El instrumento NIRSpec opera a −235  °C y se enfría pasivamente mediante radiadores de espacio frío montados en el Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM) del JWST. Los radiadores están conectados a NIRSpec mediante correas térmicas conductoras. Los soportes de los espejos y la placa base del banco óptico están fabricados en cerámica de carburo de silicio SiC100. El instrumento tiene unas dimensiones aproximadas de 1900 mm × 1400 mm × 700 mm y pesa 196 kg (432 lb) , incluyendo 100 kg de carburo de silicio. Su funcionamiento se realiza mediante tres módulos electrónicos.   

NIRSpec incluye 4 mecanismos que son:

• El conjunto de rueda de filtros (FWA) tiene 8 posiciones y lleva 4 filtros de paso largo para fines científicos, 2 filtros de banda ancha para la adquisición de objetivos, una posición cerrada y otra abierta.
• El conjunto del mecanismo de reenfoque (RMA) – que lleva 2 espejos para el reenfoque del instrumento
• El conjunto de microobturador (MSA) se utiliza para espectroscopia de múltiples objetos, pero también incluye las rendijas fijas y la apertura de la unidad de campo integral (IFU).
• El conjunto de rueda de rejilla (GWA) tiene 8 posiciones y lleva 6 rejillas y un prisma para fines científicos, además de un espejo para la adquisición de objetivos.

Además, NIRSpec incluye dos conjuntos electroópticos que son:

• Conjunto de calibración (CAA): contiene 11 fuentes de iluminación y una esfera integradora; para la calibración interna espectral y de campo plano del instrumento.
• Conjunto del plano focal (FPA): incluye el plano focal, que consta de 2 conjuntos de chips sensores.

Y por último, el divisor de imágenes de la Unidad de Campo Integral (IFU), utilizado en el modo IFU del instrumento.

La trayectoria óptica está representada por los siguientes conjuntos de espejos de carburo de silicio :

• el conjunto de óptica de acoplamiento, que acopla la luz del telescopio JWST a NIRSpec
• El Fore Optics TMA (FOR) proporciona el plano focal intermedio para el MSA.
• El colimador óptico TMA (COL) colima la luz sobre el elemento dispersivo de la rueda de rejilla.
• La óptica de la cámara TMA (CAM) – que finalmente proyecta las imágenes de los espectros en el detector

• El fin de la Edad Oscura: primera luz y reionización : ^{[ 3 ]} Espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) con resoluciones espectrales de alrededor de 100 y 1000 para estudiar las primeras fuentes de luz (estrellas, galaxias y núcleos activos) que marcan el comienzo de la fase de reionización del Universo que se cree que tiene lugar entre los desplazamientos al rojo 15–14 y 6. ^{[ 6 ]}
• El ensamblaje de galaxias : ^{[ 3 ]} Observaciones espectroscópicas de múltiples objetos en el infrarrojo cercano (rango de corrimiento al rojo típicamente de 1 a 7) con resoluciones espectrales de alrededor de 1000, observación de un gran número de galaxias y NIRS con resolución espacial en resoluciones espectrales de alrededor de 1000 y 3000 para realizar estudios detallados de un número menor de objetos.
• El nacimiento de las estrellas y los sistemas planetarios : ^{[ 3 ]} Espectroscopia de rendija de alto contraste en el infrarrojo cercano con una resolución espectral que va de 100 a varios miles para obtener una visión más completa de la formación y evolución de las estrellas y sus sistemas planetarios.
• Sistemas planetarios y el origen de la vida : ^{[ 3 ]} Para observar diversos componentes del Sistema Solar (desde planetas y satélites hasta cometas y objetos del cinturón de Kuiper ), así como de sistemas planetarios extrasolares, se requiere NIRS de alto contraste y resolución espacial con resolución espectral media a alta, manteniendo al mismo tiempo una alta estabilidad espectrofotométrica relativa.

Para lograr los objetivos científicos, NIRSpec tiene cuatro modos operativos: ^{[ 3 ]}

Espectroscopia Multiobjeto (MOS) En MOS, el campo de visión total del instrumento de 3 × 3 minutos de arco se cubre mediante 4 matrices de máscaras de rendija programables. Estas máscaras de rendija programables constan de 250 000 microobturadores, cada uno de los cuales puede programarse individualmente para "abrirse" o "cerrarse". El contraste entre un obturador "abierto" y uno "cerrado" es mejor que 1:2000. ^{[ 7 ]} Si un objeto, como por ejemplo una galaxia, se coloca en un obturador "abierto", los espectros de la luz emitida por el objeto pueden dispersarse y proyectarse sobre el plano del detector. En este modo, se pueden observar hasta 100 objetos simultáneamente y medir sus espectros.

Modo de Unidad de Campo Integral (IFU): La espectrometría de campo integral se utilizará principalmente para objetos grandes y extensos, como galaxias. En este modo, un campo de visión de 3 × 3 segundos de arco se divide en bandas de 0,1 segundos de arco, que posteriormente se reorganizan en una rendija larga. Esto permite obtener espectros con resolución espacial de escenas extensas y se puede utilizar para medir la velocidad y la dirección del movimiento dentro de un objeto extenso. Dado que los espectros medidos en el modo IFU se superpondrían con los espectros del modo MOS, no se pueden utilizar en paralelo.

Espectroscopia de rendija de alto contraste (SLIT)

Se dispone de un conjunto de cinco rendijas fijas para realizar observaciones espectroscópicas de alto contraste, necesarias, por ejemplo, para el estudio de planetas extrasolares en tránsito. De las cinco rendijas fijas, tres tienen un ancho de 0,2 segundos de arco, una de 0,4 segundos de arco y la última es una apertura cuadrada de 1,6 segundos de arco. El modo SLIT puede utilizarse simultáneamente con los modos MOS o IFU.

Modo de imagen (IMA)

El modo de imagen se utiliza únicamente para la adquisición de objetivos . En este modo, no se coloca ningún elemento dispersivo en la trayectoria óptica y los objetos se proyectan directamente sobre el detector. Dado que la matriz de microobturadores, ubicada en un plano focal intermedio del instrumento, se proyecta en paralelo, es posible configurar el observatorio JWST de manera que los objetos a observar caigan directamente en el centro de los obturadores abiertos (modo MOS), la apertura de la unidad de campo integral (modo IFU) o las rendijas (modo SLIT).

Los parámetros clave de rendimiento de NIRSpec son: ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 8 ]}

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NIRSpec ha sido construido por Astrium Alemania con subcontratistas y socios repartidos por toda Europa y con la contribución de la NASA de EE. UU., que proporcionó el subsistema detector y el conjunto de microobturador.

Los subcontratistas individuales y sus contribuciones correspondientes fueron: ^{[ 9 ]}

• APCO Technologies SA – Equipos mecánicos de apoyo en tierra y soportes cinemáticos
• Astrium CASA Espacio – Arnés para instrumentos ópticos
• Astrium CRISA – Software y control de instrumentos electrónicos
• Astrium SAS – Soporte de ingeniería para carburo de silicio (SiC)
• Instituto Astrofísico de Potsdam (AIP) – Contribución al software de análisis, calibración y revisión rápida de instrumentos
• Boostec – Fabricación de espejos y estructuras de SiC
• Optoelectrónica Cassidian:
  • Conjunto de rueda de filtro
  • Conjunto de rueda de rejilla

• Centre de Rechereche Astrophysique de Lyon (CRAL) – Simulador de rendimiento de instrumentos
• Agencia Espacial Europea (ESA) – Cliente de NIRSpec
• Iberespacio – Cubierta de ensamblaje óptico
• Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG) – Instalaciones de prueba de instrumentos
• Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard (MSSL):
  • Conjunto de calibración
  • Equipo óptico de apoyo en tierra (Sensor Shack-Hartman, fuente de luz de calibración)

• Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) – Artículos suministrados por el cliente:
  • Subsistema detector
  • Subsistema de microobturador

• Sagem – Pulido de espejos y montaje, integración y pruebas de espejos
• Selex Galileo – Mecanismo de reenfoque
• Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) – Unidad de Campo Integral
• Terma – Equipos eléctricos de apoyo en tierra (Sistema de procesamiento de datos)

Espectroscopia multiobjeto (MOS)

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  NIRSpec en modo multiobjeto. La imagen muestra los espectros de una lámpara de calibración de línea espectral (tipo Fabry-Perot) proyectados sobre los dos conjuntos de chips sensores (SCA) del detector.
• 
  Primer plano del microobturador
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  Matrices de microobturadores NIRSpec

Unidad de Campo Integral

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  NIRSpec en modo IFU. La imagen muestra el espectro de una lámpara de calibración de línea espectral (tipo Fabry-Perot) proyectado sobre los dos detectores SCA.
• 
  Principio básico de la espectroscopia de campo integral

• 
  Vista CAD de NIRSpec con los ensamblajes principales
• 
  NIRSpec y la trayectoria óptica

• Sensor de guiado fino, generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija
• Instrumento de infrarrojo medio (cámara/espectrógrafo de 5 a 28 micras del telescopio espacial James Webb)
• NIRCam (cámara NIR para JWST con luz de longitud de onda de hasta 5 micras)
• Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM, que alberga NIRSpec y los demás instrumentos del JWST).

• Telescopio espacial James Webb de la NASA
• Telescopio espacial James Webb en la ESA
• NIRSpec en YouTube