红外传感器定义詹姆斯·韦伯太空望远镜

经过一段时间的延迟，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）终于在2022年7月将深空图像传回地球。这些照片以前所未有的细节展示了宇宙，这在很大程度上是由该望远镜的尖端设计和红外传感器共同实现的结果。

车轮星系（来源：NASA, ESA, CSA, STScI）

在一场全球收看的新闻发布会上，美国总统乔·拜登（Joe Biden）展示了韦伯的首批照片，揭示了一些我们迄今为止所见过的最遥远和最微弱的物体。

美国国家航空航天局（NASA）局长Bill Nelson说：“韦伯的第一幅深空图像不仅是詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的第一幅全彩图像，也是迄今为止遥远宇宙中最深、最清晰的红外图像。这张图片包含了一片天空，但它只是浩瀚宇宙中的极其渺小的一部分，就像一臂远的指尖上的一粒沙子。”

这一成就是全球合作的结果，欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）与NASA合作，将韦伯送至地球大气层之外。

詹姆斯·韦伯空间望远镜全尺寸模型（来源：NASA）

韦伯项目已经进行了几十年，工程师们已经解决了许多独特和极端的挑战，使太空中最大的望远镜能够运行。

从热控制系统到光学和探测器，以及其他许多领域的创新都集成在JWST上，它们是NASA目前发出的迷人图像的原因。

这些创新使韦伯能够符合许多准则，这意味着它的图像确实是超乎寻常的：

它离地球很远；它不在地球轨道上，而是在太阳的轨道上，紧跟着地球以维持数据链路。

它是太空中最大的望远镜；它的碟状物必须折叠起来才能发射，然后一旦进入太空，望远镜就会自动组装。

它使用尖端的红外和近红外传感技术来探测我们所见过的最微弱的物体。

为什么韦伯使用红外？

韦伯使用范围广泛的红外光，这是它能够看到如此遥远的太空的一个主要原因。

当星系离我们极其遥远时，我们再也无法用它们最初发出的全部电磁辐射来探测它们。

这是因为到达地球的光在穿越时间和空间的过程中被“拉伸”了。不断膨胀的宇宙使波长变长，使光向更红的频率方向移动。

这被称为“宇宙学红移”，它在上个世纪的发现为宇宙膨胀提供了证据。

韦伯探测到的红外波长范围很广，这意味着它能够看到最遥远的星系——那些光线向红色和红外方向移动最多的星系。

太空中的红外传感器

詹姆斯·韦伯太空望远镜上有两种不同的探测器。碲镉汞（HgCdTe）或H2RG探测器探测近红外波长（0.6-5.0μm）的能量，而掺砷硅（Si:As）探测器捕捉中红外波长（5.0-28.0μm）。

望远镜中的近红外H2RG探测器由美国加利福尼亚的Teledyne Imaging Sensors公司制造。中红外探测器由另一家加利福尼亚公司Raytheon Vision Systems制造。

每个H2RG探测器都有大约400万像素；每个中红外探测器都有大约100万像素。

在太空中，韦伯的巨型反射镜收集光线并将其引导至传感器。滤光片首先将光分散成光谱，然后将其聚焦到检测器上。每个仪器都带有自己的探测器，可以吸收光子并将其转换为可测量的电子信号。

探测器需要极其灵敏才能探测到来自最遥远星系的微弱光线，还需要大面积阵列以高效地观测天空。与已经生产的其他红外传感器阵列相比，韦伯阵列具有更小的噪声、更大的尺寸和更高的耐用性。

H2RG探测器中的HgCdTe材料通过改变混合物中汞（Hg）和镉（Cd）的比例进行调整，使其对不同波长的光敏感。

在韦伯上，探测器应用了两种HgCdTe成分，每个近红外传感器都经过校准，使其在两组波长（0.6μm-2.5μm和0.6μm-5.0μm）上运行。

韦伯上的每种类型的红外探测器都有类似的三明治结构，由薄半导体吸收层、将吸收层中的每个像素连接到读出集成电路（ROIC）的铟（In）层和硅（Si）读出集成电路组成。

韦伯望远镜拍摄的第一批图像标志着天文学新纪元的到来。随着太空望远镜中的红外传感器在夜空中不断发现新数据，我们对宇宙的理解将比以往任何时候都更加深远。

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审核编辑 黄昊宇