Los sensores infrarrojos que definen el Telescopio Espacial James Webb

El Telescopio Espacial James Webb (JWST), después de un poco de retraso, finalmente pudo transmitir imágenes desde el espacio profundo a la Tierra en julio de 2022. Estas imágenes muestran el universo en niveles de detalle sin precedentes, que es en gran parte el resultado del corte del telescopio. -Diseño avanzado e implementación de sensores infrarrojos.

Una gran galaxia rosa moteada en forma de rueda con un pequeño óvalo interior, con un azul polvoriento en el medio a la derecha, con dos galaxias espirales más pequeñas de aproximadamente el mismo tamaño a la izquierda sobre un fondo negro. Crédito de la imagen: NASA, ESA, ASC, STScI

Las primeras imágenes de Webb, presentadas por el presidente estadounidense Joe Biden en un evento de prensa que se vio en todo el mundo, revelaron algunos de los objetos más distantes y débiles que jamás hayamos visto.

El administrador de la NASA, Bill Nelson, dijo:

El Primer Campo Profundo de Webb no es solo la primera imagen en color del Telescopio Espacial James Webb, es la imagen infrarroja más profunda y nítida del universo distante hasta la fecha. Esta imagen cubre una porción del cielo del tamaño de un grano de arena sostenido con el brazo extendido. Es solo una pequeña parte del vasto universo..

Este logro es el resultado de la cooperación global, con la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA) trabajando en asociación con la NASA para enviar a Webb más allá de la atmósfera terrestre.

El Proyecto Webb ha estado en proceso durante décadas, y los ingenieros han resuelto muchos desafíos únicos y extremos para hacer que funcione el telescopio más grande del espacio.

Aspectos destacados: primeras imágenes del telescopio espacial James Webb (video oficial de la NASA)

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Crédito del video: NASA/YouTube.com

Las innovaciones en áreas que van desde los sistemas de control térmico hasta la óptica y los detectores, y muchos más, se combinan en el JWST y son responsables de las cautivadoras imágenes que la NASA envía hoy.

Estas innovaciones le permiten a Webb cumplir con una serie de criterios que significan que sus imágenes están realmente fuera de este mundo:

  • Está muy lejos de la Tierra; no está en la órbita de la Tierra sino en la del Sol, siguiendo de cerca a la Tierra para mantener el enlace de datos.
  • Es el telescopio más grande del espacio; su plato tuvo que plegarse como un colador de metal para el lanzamiento, y luego el telescopio se autoensambló una vez que entró en el espacio.
  • Utiliza detección infrarroja y cercana al infrarrojo de última generación para detectar los objetos más tenues que jamás hayamos visto.

¿Por qué Webb usa infrarrojos?

Webb utiliza una amplia gama de luz infrarroja, y esta es una de las principales razones de su capacidad para ver tan lejos en el espacio.

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Cuando las galaxias están extremadamente lejos de nosotros, ya no podemos detectarlas con toda la gama de radiación electromagnética que emiten inicialmente.

Esto se debe a que la luz que emana de él se ha estirado en su viaje a través del tiempo y el espacio para llegar hasta nosotros. El universo en expansión hace que las longitudes de onda se estiren para que sean más largas, lo que hace que la luz cambie a frecuencias más rojas.

Se llama corrimiento al rojo cosmológico, y su descubrimiento en el siglo pasado proporcionó evidencia de un universo en expansión.

La amplia gama de longitudes de onda infrarrojas que capta Webb significa que puede ver las galaxias más distantes, aquellas cuya luz se ha desplazado más hacia el rojo y el infrarrojo.

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Sensores infrarrojos en el espacio

Hay dos tipos diferentes de detectores a bordo del telescopio espacial James Webb. Los detectores de telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe) o H2RG detectan energía en longitudes de onda del infrarrojo cercano (0,6 a 5,0 μm), mientras que los detectores de silicio dopado con arsénico (Si:As) capturan longitudes de onda del infrarrojo medio (5,0 a 28,0 μm).

Los detectores H2RG del infrarrojo cercano del telescopio fueron fabricados por Teledyne Imaging Sensors, con sede en California. Los detectores de infrarrojo medio fueron fabricados por otra empresa de California, Raytheon Vision Systems.

Cada uno de los detectores H2RG tiene aproximadamente 4 millones de píxeles; cada uno de los detectores de infrarrojo medio tiene alrededor de 1 millón de píxeles.

En el espacio, los espejos gigantes de Webb recogen la luz y la dirigen a los sensores. Los filtros primero dispersan la luz en espectros y luego la enfocan en los detectores. Cada instrumento lleva sus propios detectores, que absorben fotones y los convierten en señales electrónicas que se pueden medir.

Los detectores deben ser extremadamente sensibles para detectar la luz tenue que proviene de las galaxias más distantes y también deben colocarse sobre grandes áreas para monitorear el cielo de manera efectiva. Los arreglos Webb tienen menos ruido, factor de forma más grande y mayor durabilidad que cualquier otro arreglo de sensores infrarrojos que se haya producido.

El material HgCdTe en los detectores H2RG se sintoniza variando la proporción de mercurio y cadmio en la mezcla, haciéndolos sensibles a diferentes longitudes de onda de luz.

En Webb, se aplicaron dos composiciones de HgCdTe para que cada sensor NIR se calibrara para operar en las dos longitudes de onda definidas en las que se usaría (0,6 μm – 2,5 μm y 0,6 μm – 5,0 μm).

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Cada tipo de detector de infrarrojos en Webb tiene una configuración de sándwich similar, que consta de una delgada capa absorbente de semiconductores, una capa de indio que conecta cada píxel de la capa absorbente con la lectura y un circuito integrado de lectura de silicio o ROIC que lee píxeles.

Las primeras imágenes del Webb marcan el comienzo de una nueva era en la astronomía. A medida que los sensores infrarrojos del telescopio espacial continúen encontrando nuevos datos en el cielo nocturno, nuestra comprensión del universo será cada vez más profunda que nunca.

Continuar leyendo: Desenterrando un universo antiguo; Telescopio espacial James Webb

Referencias y lecturas adicionales

NASA (2022). detectores infrarrojos. [Online] Nasa. Disponible en: https://jwst.nasa.gov/content/about/innovations/infrared.html

NASA (2022). La NASA revela las primeras imágenes del universo invisible del Telescopio Webb. [Online] Nasa. Disponible en: https://www.nasa.gov/press-release/nasa-reveals-webb-telescope-s-first-images-of-unseen-universe

NASA (2022). El presidente Biden revela la primera imagen del telescopio Webb de la NASA. [Online] Nasa. Disponible en: https://www.nasa.gov/press-release/president-biden-reveals-first-image-from-nasa-s-webb-telescope

NASA (2022). productos derivados de Webb. [Online] Nasa. Disponible en: https://jwst.nasa.gov/resources/JWST_spinoffs_v122011.pdf

Rauscher, BJ y otros (2014). Nuevos y mejores detectores para el espectrógrafo de infrarrojo cercano JWST. PASP. doi.org/10.1086/677681.

Rieke, GH (2007). Matrices de detectores infrarrojos para astronomía. Revista Anual de Astronomía y Astrofísica. doi.org/10.1146/annurev.astro.44.051905.092436.

Webb, S. (2022). Una máquina del tiempo cósmica: cómo el Telescopio Espacial James Webb nos permite ver las primeras galaxias del universo. [Online] La conversación. Disponible en: https://theconversation.com/a-cosmic-time-machine-how-the-james-webb-space-telescope-let-us-see-the-first-galaxies-in-the-universe-187015

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