NIRCam

Прибор был разработан и создан командами учёных и инженеров Аризонского университета и Центра продвинутых технологий (англ. Advanced Technology Center) компании Lockheed Martin в сотрудничестве с их партнёрами^[1][2][3]. Руководила разработкой астроном Марсия Рике (англ. Marcia Rieke) из Аризонского университета^[4][5].

Центр продвинутых технологий Lockheed Martin в Пало-Альто отвечал за производство большей части инструмента, а также проведение последующих этапов интеграции и тестирования камеры^[6]. Разработка камеры началась в 2002 году, когда центр заключил соответствующий контракт с Аризонским университетом^[7]. В 2013 году испытания были завершены и прибор был отправлен в Центр космических полётов Годдарда^[8].

Отдел по реализации проекта телескопа «Джеймс Уэбб» в Центре космических полётов Годдарда отвечал за создание интегрированного модуля научной аппаратуры (англ. Integrated Science Instrument Module, ISIM), в состав которого входит и NIRCam, размещаясь в фокальной плоскости телескопа. Институт исследований космоса с помощью космического телескопа разработал программное обеспечение и конвейер данных для NIRCam и других приборов «Джеймса Уэбба». Компания Teledyne Imaging Sensors в Камарильо (штат Калифорния) изготовила фотодетекторные матрицы из теллурида ртути-кадмия (HgCdTe) для камеры^[6].

Прибор NIRCam включает в себя следующие компоненты:

• инфракрасная камера, предназначенная для формирования двумерных изображений участков неба;
• коронограф, состоящий из набора непрозрачных дисков для экранирования яркого света центральных тел (например, звёзд) с целью регистрации и анализа более слабого излучения обращающихся вокруг них объектов (например, экзопланет и околозвёздных дисков);
• бесщелевой спектрограф на основе гризмы, разлагающий принимаемое излучение в спектр для измерения его интенсивности на каждой отдельной длине волны^[2].

Камера оснащена 10 фотодетекторными матрицами на основе теллурида ртути-кадмия (HgCdTe), каждая размером 2048 × 2048 пикселей^[1]. Она способна регистрировать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,6 мкм (600 нм, видимый красный свет) до 5 мкм (5000 нм, граница ближнего и среднего участков инфракрасного диапазона)^[5][2][3].

Камера состоит из двух почти идентичных модулей, дублирующих друг друга, которые направлены на соседние участки неба и могут использоваться одновременно. Каждый модуль использует дихроичный фильтр для одновременного наблюдения как на малых длинах волн (0,6—2,3 мкм), так и на больших длинах волн (2,4—5,0 мкм)^[2][4][5]. Поле зрения каждого модуля имеет угловые размеры 2,2′ × 2,2′^[1][4][2][3]; коронографическое поле зрения прибора меньше^[2][3]. Угловое разрешение камеры достигает 0,07″ при наблюдении на длине волны 2 мкм^[1]. Камера способна наблюдать тусклые объекты звёздной величины 29 при времени экспозиции 10 000 секунд (около 2,8 часа)^[9].

Прибор NIRCam установлен в интегрированном модуле научной аппаратуры (англ. Integrated Science Instrument Module, ISIM) телескопа и закреплён на нём с помощью специальных стоек^[10]. Для эффективной регистрации слабого инфракрасного излучения космических объектов прибор должен работать при температуре 37 К (–236 °C)^[11]. Для поддержания такой температуры используются радиаторы охлаждения, соединённые с прибором посредством терморемешков^[10] (гибких соединительных элементов, как правило из металлических тросов или фольги, применяемых в тех случаях, когда необходимо обеспечить теплообмен между двумя компонентами системы при сохранении их механической изоляции друг от друга). В то же время электроника фокальной плоскости функционирует при температуре 290 К^[10].

NIRCam может одновременно работать в двух полях зрения, в каждом из которых может быть либо построено изображение, либо получены спектры объектов с помощью оборудования, установленного в первую очередь для измерения и контроля волнового фронта^[12]. Точность контроля волнового фронта должна быть чрезвычайно высока — не хуже 93 нм, а в ходе испытаний удалось достичь значений 32—52 нм (для сравнения: средний диаметр человеческого волоса составляет несколько тысяч нанометров)^[13].

NIRCam обеспечивает построение изображений и спектроскопические наблюдения с высоким разрешением для различных исследовательских задач^[2]. Камера способна работать в пяти основных режимах, которые могут быть объединены в две категории – режимы визуализации (получения изображений) и режимы спектроскопических наблюдений (получение и анализ спектров излучения объектов).

Режимы визуализации:

• стандартный — получение изображений космических объектов, испускающих или отражающих инфракрасное излучение, в различных фотометрических полосах, выделяемых с помощью большого набора узко-, средне- и широкополосных светофильтров;
• коронографический (иногда называемый высококонтрастной визуализацией) — режим наблюдений с использованием коронографа для экранирования света центрального яркого объекта (например, звезды) с целью регистрации гораздо более слабого излучения близлежащих объектов (например, экзопланет и околозвёздных дисков);
• временны́е ряды изображений — захват целой серии изображений одного и того же участка неба (или объекта) через одинаковые интервалы времени для выявления изменений, происходящих в данной области с течением времени. Этот режим может применяться, например, для анализа изменений блеска звезды или слежения за движением экзопланеты вокруг звезды (при использовании совместно с коронографом)^[2][3][4].

Режимы спектроскопии:

• бесщелевая спектроскопия с широким полем зрения — регистрация спектров большого числа объектов в широком участке неба (например, множества звёзд, крупной части близкой галактики или множества галактик одновременно) с помощью гризмы в диапазоне длин волн 2,5—5 мкм;
• спектроскопические временны́е ряды — получение спектров объекта или множества объектов в широком участке неба через регулярные интервалы времени с целью обнаружения и исследования изменений спектра со временем (используется, например, для изучения экзопланет при их прохождениях по дискам своих звёзд)^[2][3][4].

Камера может регистрировать излучение галактик с очень большим красным смещением (следовательно, находящихся на ранних стадиях формирования), звёзд в близких галактиках, молодых звёзд нашей Галактики, коричневых карликов спектрального класса Y и объектов пояса Койпера. Также коронограф и возможность получать временны́е ряды изображений позволяют следить за орбитальным движением экзопланет вокруг своих звёзд. С помощью прибора астрономы надеются определить характеристики планет, вращающихся вокруг близких к Солнцу звёзд, а также исследовать околозвёздные диски^[2][3][4].

Прибор также является частью системы измерения и контроля волнового фронта телескопа, в задачи которой входит периодическое обнаружение и исправление малых неровностей формы главного зеркала или отклонений его сегментов, приводящих к нарушению их соосности и расфокусировке зеркала. Другими словами, камера служит для юстировки главного зеркала телескопа, обеспечивая точную настройку положения всех его 18 сегментов, превращая их в единое сегментированное зеркало^[1][2][3].