NIRスペック

近赤外線分光器
	ドイツ、オットブルンの Astrium クリーンルーム内の NIRSpec 装置
ミッションタイプ	天文学
オペレーター	ESAとNASAの協力
Webサイト	ESA ヨーロッパ; アストリウムドイツ; NASA アメリカ
ミッション期間	5年（設計）; 10年（目標）
宇宙船の特性
メーカー	アストリウム
打ち上げ質量	196 kg (432 ポンド)
ミッション開始
発売日	2021年12月25日
ロケット	アリアン5号搭載のJWSTの一部として
発射場	クールー ELA-3
請負業者	アリアンスペース
メイン望遠鏡
タイプ	分光器
波長	0.6 μm (オレンジ)～5.0 μm (近赤外線)

NIRSpec （近赤外線分光器）は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）に搭載された4つの科学機器のうちの1つです。^{[2] JWSTは}ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の後継ミッションであり、最初の星や銀河からの赤外線を観測することで、宇宙の起源に関するより多くの情報を得るために開発されました。HSTと比較して、その機器はより過去に遡って調べることができ、ビッグバンから約1億5000万年から8億年後の、宇宙が不透明だったいわゆる暗黒時代を研究します。

NIRSpec 装置はマルチオブジェクト分光器で、低、中、高のスペクトル分解能で、星や銀河などの最大 100 個のオブジェクトの近赤外線スペクトルを同時に測定できます。観測は、0.6 μmから 5.0 μm の波長範囲にわたって、3分角× 3 分角の視野で行われます。また、個々のソースの高コントラスト分光法用のスリットとアパーチャのセット、および 3D分光法用の積分フィールドユニット (IFU) も備えています。^{[3]この装置は、}欧州宇宙機関(ESA) の貢献であり、 Astriumがヨーロッパの下請け業者グループと共同で構築しました。 ^[4]

概要

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主な科学テーマは以下のとおりです。^[5]

初光と再イオン化
銀河の集合、
恒星と原始惑星系の誕生
惑星系の誕生と生命の起源

NIRSpec 装置は -235 °C で動作し、JWST 統合科学装置モジュール (ISIM) に搭載された冷空間ラジエーターによって受動的に冷却されます。ラジエーターは熱伝導性のヒートストラップを使用して NIRSpec に接続されます。ミラーマウントと光学ベンチベースプレートはすべてシリコンカーバイドセラミック SiC100 で製造されています。装置のサイズは約1900 mm × 1400 mm × 700 mmで、重量は 100 kg のシリコンカーバイドを含めて 196 kg (432 ポンド) です。装置の操作は 3 つの電子ボックスで行われます。

NIRSpec には次の 4 つのメカニズムが含まれています:

フィルターホイールアセンブリ（FWA） – 8つの位置、科学用のロングパスフィルター4つ、ターゲット捕捉用のブロードバンドフィルター2つ、1つは閉じた位置、もう1つは開いた位置
再焦点機構アセンブリ（RMA） – 機器の再焦点合わせ用の2つのミラーを搭載
マイクロシャッターアセンブリ（MSA） - 多物体分光用ですが、固定スリットとIFUアパーチャも搭載しています。
グレーティングホイールアセンブリ（GWA） – 8つの位置、科学用の6つのグレーティングと1つのプリズム、ターゲット捕捉用の1つのミラーを搭載

さらに、NIRSpec には次の 2 つの電気光学アセンブリが含まれています。

校正アセンブリ (CAA) – 11 個の照明光源と積分球を搭載し、機器内部のスペクトルとフラットフィールドの校正に使用します。
焦点面アセンブリ（FPA） - 2つのセンサーチップアセンブリで構成される焦点面が含まれます。

そして最後に、機器の IFU モードで使用される Integral Field Unit (IFU) 画像スライサーです。

光路は、次のシリコンカーバイドミラーアセンブリによって表されます。

カップリング光学アセンブリ – JWST望遠鏡からの光をNIRSpecに結合する
Fore Optics TMA (FOR) – MSAの中間焦点面を提供する
コリメータ光学系TMA（COL） - 光を回折格子ホイール分散素子に平行に照射する
カメラ光学TMA（CAM） – 最終的に検出器上にスペクトルを画像化する

科学の目的

暗黒時代の終焉 - 最初の光と再電離：^[3] 赤方偏移15～14と6の間に起こると考えられている宇宙の再電離段階の始まりを示す最初の光源（星、銀河、活動核）を研究するためのスペクトル分解能約100と1000の近赤外分光法（NIRS）。^[6]
銀河の集合：^[3]多数の銀河をスペクトル分解能約1000で観測する近赤外線多天体分光観測（赤方偏移範囲は通常1～7）と、より少数の天体の詳細な研究を行うためのスペクトル分解能約1000および3000での空間分解NIRS。
星と惑星系の誕生：^[3]星とその惑星系の形成と進化をより完全に理解するために、100から数千に及ぶスペクトル分解能での近赤外高コントラストスリット分光法。
惑星系と生命の起源：^[3]太陽系のさまざまな構成要素（惑星や衛星から彗星やカイパーベルト天体まで）や太陽系外惑星系を観測するには、高い相対分光光度安定性を維持しながら、中〜高スペクトル分解能で高コントラストかつ空間分解可能なNIRSが必要です。

動作モード

多物体分光法の基本原理

科学的目的を達成するために、NIRSpecには4つの動作モードがあります。^[3]

多物体分光法(MOS) MOS では、プログラム可能なスリットマスクの 4 つのアレイを使用して、3 × 3分角の全装置視野がカバーされます。これらのプログラム可能なスリットマスクは 250,000 個のマイクロシャッターで構成されており、それぞれを個別に「開く」または「閉じる」ようにプログラムできます。「開く」シャッターと「閉じる」シャッターのコントラストは 1:2000 より優れています。^[7] たとえば銀河などの物体を「開く」シャッターに置くと、物体から放射される光のスペクトルが分散され、検出器平面上に画像化されます。このモードでは、最大 100 個の物体を同時に観測し、スペクトルを測定できます。

積分フィールドユニットモード (IFU) 積分フィールド分光法は、主に銀河のような大きく広がった物体に使用されます。このモードでは、3 × 3 秒角の視野が 0.1 秒角のバンドにスライスされ、その後長いスリットに再配置されます。これにより、大きなシーンの空間分解スペクトルを取得でき、広がった物体内の動きの速度と方向を測定するために使用できます。IFU モードで測定されたスペクトルは MOS モードのスペクトルと重複するため、並行して使用することはできません。

高コントラストスリット分光法 (SLIT)

5 つの固定スリットのセットは、例えば太陽系外惑星の通過の分光観測に必要な高コントラストの分光観測を実行するために使用できます。5 つの固定スリットのうち、3 つは 0.2 秒角幅、1 つは 0.4 秒角幅、1 つは 1.6 秒角の正方形開口部です。SLIT モードは、MOS モードまたは IFU モードと同時に使用できます。

イメージングモード（IMA）

イメージングモードは、ターゲットの取得にのみ使用されます。このモードでは、光路に分散要素は配置されず、すべてのオブジェクトが検出器に直接イメージ化されます。機器の中間焦点面にあるマイクロシャッターアレイは平行にイメージ化されるため、観測対象のオブジェクトが開いたシャッター (MOS モード)、IFU 開口部 (IFU モード)、またはスリット (SLIT モード) の中心に直接収まるように JWST 観測所を配置できます。

パフォーマンスパラメータ

NIRSpecの主な性能パラメータは以下のとおりです: ^[3]^[4]^[8]

。

産業パートナー

NIRSpec は、ヨーロッパ各地の下請け業者やパートナーと協力し、検出器サブシステムとマイクロシャッターアセンブリを提供した米国 NASA の協力を得て、ドイツの Astrium 社によって構築されました。

個々の下請け業者とその貢献は以下の通りである。^[9]

APCO Technologies SA – 機械式地上支援装置およびキネマティックマウント
Astrium CASA Espacio – 光学機器用ハーネス
Astrium CRISA – 機器制御電子機器およびソフトウェア
Astrium SAS – シリコンカーバイド (SiC) エンジニアリングサポート
ポツダム天体物理学研究所(AIP) – 機器のクイックルック、分析、校正ソフトウェアの貢献
Boostec – SiCミラーおよび構造物の製造
カシディアンオプトロニクス:
- フィルターホイールアセンブリ
- グレーティングホイールアセンブリ

リヨン天体物理学センター(CRAL) – 機器性能シミュレーター
欧州宇宙機関 (ESA) – NIRSpec 顧客
Iberespacio – 光学アセンブリカバー
Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH (IABG) – 機器試験施設
ムラード宇宙科学研究所(MSSL):
- キャリブレーションアセンブリ
- 光学地上支援装置（シャックハートマンセンサー、校正光源）

アメリカ航空宇宙局 (NASA) – 顧客提供品:
- 検出器サブシステム
- マイクロシャッターサブシステム

Sagem – 鏡面研磨と鏡面組み立て、統合、テスト
Selex Galileo – 再フォーカス機構
サリー・サテライト・テクノロジー社（SSTL） – インテグラル・フィールド・ユニット
Terma – 電気地上支援装置（データ処理システム）

画像

マルチオブジェクト分光法 (MOS)

マルチオブジェクトモードの NIRSpec。この画像は、2 つの検出器センサーチップアセンブリ (SCA) に画像化されたスペクトル線校正ランプ (ファブリペロー型) のスペクトルを示しています。
マイクロシャッターのクローズアップ
NIRSpec マイクロシャッターアレイ

積分フィールドユニット

IFU モードの NIRSpec。この画像は、2 つの検出器 SCA 上に画像化されたスペクトル線キャリブレーションランプ (ファブリペロータイプ) のスペクトルを示しています。
積分場分光法の基本原理

メインアセンブリを含む NIRSpec CAD ビュー
NIRSpecと光路

参照

精密誘導センサと近赤外線イメージング装置とスリットレス分光器
MIRI (中間赤外線装置) (ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の 5～28 ミクロンカメラ/分光器)
NIRCam (JWST 用 5 ミクロン波長光までの NIR カメラ)
統合科学機器モジュール(ISIM、NIRSpec およびその他の JWST 機器を収容)

参考文献

^ 「星の光から情報を抽出する」NASA 2010-03-30 2014-04-09閲覧。
^ Greenhouse, M. (2013). MacEwen, Howard A; Breckinridge, James B (編). 「JWST 科学機器ペイロード: ミッションの状況と状況」SPIE 議事録. UV/光学/IR 宇宙望遠鏡と機器: 革新的な技術とコンセプト VI. 8860 : 886004. Bibcode :2013SPIE.8860E..04G. doi :10.1117/12.2023366. S2CID 173183643.
^ abcdefg Ferruit, P.; et al. (2012). Clampin, Mark C; Fazio, Giovanni G; MacEwen, Howard A; Oschmann, Jacobus M (eds.). 「JWST 近赤外線分光器 NIRSpec: ステータス」SPIE 議事録。宇宙望遠鏡と計測機器 2012: 光学、赤外線、ミリ波。8442 : 84422O。Bibcode :2012SPIE.8442E..2OF。doi : 10.1117/12.925810。S2CID 123316716 。
^ ab 「ESA Science & Technology: NIRSpec – JWST の近赤外線分光器」 Sci.esa.int. 2013-09-06 . 2013-12-13閲覧。
^ 「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」 Jwst.nasa.gov . 2015年1月20日閲覧。
^ Zaroubi, Saleem (2013). 「再イオン化の時代」.最初の銀河. 天体物理学と宇宙科学図書館. 第396巻. pp. 45–101. arXiv : 1206.0267 . doi :10.1007/978-3-642-32362-1_2. ISBN 978-3-642-32361-4. S2CID 58931662。
^ Kutyrev, AS; et al. (2008). Oschmann, Jr, Jacobus M; De Graauw, Mattheus W. M; MacEwen, Howard A (eds.). 「マイクロシャッターアレイ: JWST NIRSpec 用の高コントラストのプログラム可能なフィールドマスク」SPIEの議事録。宇宙望遠鏡と計測装置 2008: 光学、赤外線、およびミリメートル。7010 : 70103D。Bibcode :2008SPIE.7010E..3DK。doi : 10.1117/12.790192。S2CID 106493827 。
^ Posselt, W.; et al. (2004). Mather, John C (ed . ). 「NIRSpec – JWST用近赤外線分光器」SPIE 議事録。光学、赤外線、ミリ波宇宙望遠鏡。5487 : 688–697。Bibcode :2004SPIE.5487..688P。doi :10.1117/12.555659。S2CID 121365299 。
^ “JWST NIRSpec 記者会見”.アストリウムGmbH、オットーブルン。 2013年。

外部リンク

NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡
ESAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡
YouTube の NIRSpec

[1] 「星の光から情報を抽出する」NASA 2010-03-30 2014-04-09閲覧。

[JWST_Science_Instrument_Payloads_2013-2] Greenhouse, M. (2013). MacEwen, Howard A; Breckinridge, James B (編). 「JWST 科学機器ペイロード: ミッションの状況と状況」SPIE 議事録. UV/光学/IR 宇宙望遠鏡と機器: 革新的な技術とコンセプト VI. 8860 : 886004. Bibcode :2013SPIE.8860E..04G. doi :10.1117/12.2023366. S2CID 173183643.

[NIRSpec_Status_2012-3] Ferruit, P.; et al. (2012). Clampin, Mark C; Fazio, Giovanni G; MacEwen, Howard A; Oschmann, Jacobus M (eds.). 「JWST 近赤外線分光器 NIRSpec: ステータス」SPIE 議事録。宇宙望遠鏡と計測機器 2012: 光学、赤外線、ミリ波。8442 : 84422O。Bibcode :2012SPIE.8442E..2OF。doi : 10.1117/12.925810。S2CID 123316716 。

[sci-4] 「ESA Science & Technology: NIRSpec – JWST の近赤外線分光器」 Sci.esa.int. 2013-09-06 . 2013-12-13閲覧。

[5] 「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」 Jwst.nasa.gov . 2015年1月20日閲覧。

[first_light_and_re-ionization-6] Zaroubi, Saleem (2013). 「再イオン化の時代」.最初の銀河. 天体物理学と宇宙科学図書館. 第396巻. pp. 45–101. arXiv : 1206.0267 . doi :10.1007/978-3-642-32362-1_2. ISBN 978-3-642-32361-4. S2CID 58931662。

[MSA_Contrast_2013-7] Kutyrev, AS; et al. (2008). Oschmann, Jr, Jacobus M; De Graauw, Mattheus W. M; MacEwen, Howard A (eds.). 「マイクロシャッターアレイ: JWST NIRSpec 用の高コントラストのプログラム可能なフィールドマスク」SPIEの議事録。宇宙望遠鏡と計測装置 2008: 光学、赤外線、およびミリメートル。7010 : 70103D。Bibcode :2008SPIE.7010E..3DK。doi : 10.1117/12.790192。S2CID 106493827 。

[NIRSpec_Status_2004-8] ^ Posselt, W.; et al. (2004). Mather, John C (ed . ). 「NIRSpec – JWST用近赤外線分光器」SPIE 議事録。光学、赤外線、ミリ波宇宙望遠鏡。5487 : 688–697。Bibcode :2004SPIE.5487..688P。doi :10.1117/12.555659。S2CID 121365299 。

[NIRSpec_Partners_2013-9] “JWST NIRSpec 記者会見”.アストリウムGmbH、オットーブルン。 2013年。