Spitzer (telescópio espacial)

Spitzer Descrição desta imagem, também comentada abaixo Impressão artística do Telescópio Espacial Spitzer. Dados gerais
Organização NASA
Construtor Lockheed Martin Space
Ball Aerospace
Programa Grandes Observatórios
Campo Astronomia infravermelha
Tipo de missão Telescópio espacial
Status Missão completada
Outros nomes Instalação de telescópio infravermelho espacial (SIRTF)
Lançar 25 de agosto de 2003
Lançador Delta II 7920H
Fim da missão 30 de janeiro de 2020
Maio de 2009 (fim da missão em modo de resfriamento)
Nomeado após Lyman Spitzer ( astrofísica americana )
Identificador COSPAR 2003-038A
Local spitzer.caltech.edu
Características técnicas
Missa no lançamento 950 kg
Controle de atitude Estabilizado em 3 eixos
Órbita
Órbita Heliocêntrico
Telescópio
Modelo Ritchey-Christian
Diâmetro 85 cm
Área 2,3 m²
Focal 10,2 m
Comprimento de onda Infravermelho  : 3,6 a 100 mícrons
Instrumentos principais
IRAC Câmera
IRS Espectrógrafo
MIPS Fotômetro de imagem

Spitzer ou SIRTF ( Space Infrared Telescope Facility ) é um telescópio espacial infravermelho desenvolvido pela NASA . É o último dos quatro "  Grandes Observatórios  " com características complementares criados pela NASA para responder às principais questões científicas do final do século no campo da astrofísica . Seu papel é principalmente observar a criação do Universo , a formação e evolução de galáxias primitivas, a gênese de estrelas e planetas e a evolução da composição química do Universo que são fenômenos principalmente visíveis no infravermelho.

Este projeto de telescópio infravermelho foi lançado em 1984 pela NASA. Durante seu desenvolvimento, o tamanho do Spitzer foi drasticamente reduzido (massa reduzida de 5,7 toneladas para menos de uma tonelada) para lidar com os cortes no orçamento que afetam a agência espacial. No entanto, as suas capacidades são claramente superiores às dos seus antecessores, IRAS (1983) e ISO (1995), graças a várias escolhas técnicas e aos progressos entretanto realizados no domínio dos detectores de infravermelhos. Sua parte óptica consiste em um telescópio de 85  cm de diâmetro. A radiação infravermelha coletada é analisada por três instrumentos que são resfriados como o telescópio por hélio líquido  : um fotômetro de imagem infravermelho próximo e médio (3 a 8 mícrons), um espectroscópio (5-40 mícrons) e um espectrofotômetro para o infravermelho distante (50 -160 mícrons).

Lançado em 25 de agosto de 2003, o telescópio opera em plena capacidade até Maio de 2009. A partir dessa data, tendo esgotado seu hélio líquido, continua operando em modo "quente" com parte de sua instrumentação. O telescópio foi desativado pela NASA em30 de janeiro de 2020. O projeto Spitzer custou US $ 1,36 bilhão desde o início de sua concepção até o final das operações em 2020.

Histórico

Os predecessores: IRAS e ISO (1983-1995)

O Spitzer é cronologicamente o terceiro grande telescópio espacial infravermelho  : é precedido pelo IRAS desenvolvido pela agência espacial dos EUA, NASA, em colaboração com a Holanda e o Reino Unido e lançado em 1983, bem como pela ISO projetado pela Agência Espacial Europeia e lançado em 1995 .

No final da década de 1960, a NASA tinha grandes expectativas em relação ao ônibus espacial americano, que faria seus primeiros voos no início da década seguinte. Entre os usos previstos para este lançador espacial, capaz de retornar ao solo no final de sua missão, está o transporte de um telescópio espacial infravermelho que se beneficiará da alta taxa de lançamento do ônibus espacial - a NASA planeja realizar um vôo por semana - e atribuições de longo prazo (até 30 dias). Já em 1969, foi proposto o desenvolvimento de um telescópio infravermelho criogênico com um espelho de um metro de diâmetro para ser instalado no porão do ônibus espacial. O custo deste telescópio, denominado Shuttle Test Facility Infrared (IR Installation Space Shuttle) abreviado como FTIR, está avaliado na época em 120 milhões de dólares americanos . Este projeto recebeu em 1979 o apoio da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos . Em 1983, a NASA lançou um concurso para a construção de um observatório espacial infravermelho acoplado ao ônibus espacial e que retornaria ao solo ao final de cada missão. Este telescópio faria seu primeiro vôo em 1990. No entanto, o sucesso do telescópio infravermelho IRAS desenvolvido pela NASA levou a agência espacial a modificar seus planos em 1984: ela decidiu desenvolver um telescópio espacial infravermelho autônomo. Esta decisão é apoiada pela descoberta de que o pequeno telescópio infravermelho IRT ( Telescópio Infravermelho ), embarcou no porão do ônibus espacial emJulho de 1985(missão STS-51-F ), tem que enfrentar problemas importantes de contaminação por emissões infravermelhas produzidas pela espaçonave uma vez no espaço. A sigla SIRTF foi mantida apesar dessa mudança na arquitetura, mas agora significa Space Infrared Telescope Facility .

Desenvolvimento (1984-2003)

Os resultados espetaculares do telescópio espacial infravermelho IRAS, lançado em 1983 pela NASA e cuja missão durou apenas 10 meses, levaram a comunidade de astrônomos a pedir o desenvolvimento de um sucessor. O relatório Bahcall , elaborado em 1991 com o objetivo de identificar projetos astronômicos prioritários, prevê que a década de 1990 será a década do infravermelho e dá prioridade no campo espacial ao desenvolvimento de um telescópio infravermelho. O telescópio infravermelho SIRTF / Spitzer foi projetado para ser o último dos quatro "  Grandes Observatórios  " desenvolvidos pela NASA para responder às principais questões no campo da astrofísica . Outros telescópios neste programa são o Telescópio Espacial Hubble, lançado em 1990 para observações no espectro visível e ultravioleta próximo , Chandra (em 1999) para raios-X moles ( 0,01 a 10  nm ) e Compton Gamma -Ray Observatory (em 1991) para radiação gama e raios X duros (10 a 100 µm). A realização do telescópio é gerenciada pelo centro JPL da NASA. O projeto inicial está evoluindo para uma máquina muito mais ambiciosa e agora está previsto um telescópio com uma massa de 5,7 toneladas carregando 3.800  litros de hélio líquido (para resfriar os detectores) colocado em órbita alta da Terra por um lançador Titan . Mas o clima econômico americano está se deteriorando ao mesmo tempo e várias missões espaciais da NASA fracassaram. Logo após a publicação do relatório Bahcall, o orçamento da NASA sofreu uma queda acentuada resultando no cancelamento de vários projetos e na redução dos objetivos e desempenho dos projetos mantidos. Spitzer, portanto, sofre em 5 anos dois cortes orçamentários que aumentam o orçamento alocado ao projeto de 2,2 bilhões para 500 milhões de dólares. Apesar dessa redução drástica, o SIRTF / Spitzer tem, graças aos últimos avanços na observação de infravermelho e várias otimizações, uma sensibilidade que é 10 a 100 vezes maior que a de seus antecessores. De fato, na década de 1980, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos investiu centenas de milhões de dólares no desenvolvimento de detectores infravermelhos. Os avanços tecnológicos resultantes se espalharam gradualmente para aplicações civis, permitindo o desenvolvimento para astronomia infravermelha de detectores muito mais sensíveis: enquanto os detectores do satélite IRAS têm apenas 62 pixels, os da câmera IRAC do Spitzer têm 65.000.

Ao contrário do curso de projetos deste tipo, os fabricantes envolvidos na realização do Spitzer são consultados desde o início do projeto. A Lockheed Martin tem responsabilidade geral pelo desenvolvimento e teste de satélites. A Ball Aerospace está desenvolvendo o conjunto criogênico, incluindo o criostato e a parte óptica. Os três instrumentos de bordo são produzidos pelo Goddard Space Flight Center (instrumento IRAC) da NASA, pela Universidade Cornell em Ithaca ( Estado de Nova York ), pelo instrumento IRS e pela Universidade do Arizona (instrumento MIPS), respectivamente. As operações do telescópio são pilotadas pelo Spitzer Science Center localizado no campus do California Institute of Technology em Pasadena ( Califórnia ).

Condução da missão

Lançar

Spitzer é colocado em órbita em 25 de agosto de 2003por um lançador Delta II 7920H da plataforma de lançamento do Cabo Canaveral na Flórida . Chamado SIRTF para Space Infrared Telescope Facility antes de seu lançamento, foi renomeado Spitzer quatro meses depois em homenagem ao cientista americano Lyman Spitzer , astrofísico americano que desempenhou um papel importante nos primeiros projetos de telescópios espaciais. O Spitzer é lançado "quente" o que permite reduzir a sua massa. Durante os três meses seguintes, os instrumentos imersos em hélio líquido resfriam gradualmente enquanto a temperatura da parte óptica é reduzida pelos vapores do hélio que se evapora. O telescópio então inicia a fase criogênica de sua missão.

Missão Fria (2003 - maio de 2009)

As primeiras imagens capturadas pelo telescópio têm como objetivo demonstrar as capacidades do novo telescópio: são imagens de um berçário de estrelas, um disco de destroços de um planeta em formação e matéria orgânica de um universo distante. Uma das observações mais notáveis ​​foi feita em 2005, quando o telescópio conseguiu tirar as primeiras imagens de exoplanetas, o quente Júpiter HD 209458 be TrES-1b. DentroSetembro de 2006, o telescópio participa de um levantamento do céu do cinturão de Gould localizado a cerca de 3.000 anos-luz do sol. O estoque de hélio deve permitir que os instrumentos sejam resfriados por 2,5 anos, mas, em última análise, ele não se esgota até o15 de maio de 2009ou 5,5 anos após o lançamento. A missão principal tem uma duração de 2,5 anos, mas será prorrogada várias vezes, uma vez que terminará 15 anos após o seu lançamento.

Missão quente (julho de 2009 - janeiro de 2020)

O telescópio espacial inicia uma nova missão após a exaustão de seu hélio em julho de 2009, quando a temperatura se estabilizou em 28 Kelvin . Dois dos instrumentos não funcionam mais, mas as câmeras infravermelhas IRAC continuam a funcionar perfeitamente nessas novas condições. Eles permitem observar os comprimentos de onda 3,6 e 4,5 mícrons. Durante esta nova fase de sua missão, o telescópio mapeia fontes infravermelhas em grandes porções do céu, observa cometas e asteróides em nosso sistema solar, observa exoplanetas e faz observações das galáxias mais distantes do nosso universo.

Em 2014, está prevista a paralisação da missão por motivos orçamentários, mas o gerente do projeto consegue reduzir o custo anual das operações de US $ 17 milhões para US $ 11 milhões. Em 2016, a NASA decidiu estender a missão porque o Spitzer saiu particularmente bem classificado quando comparado a cinco outras missões espaciais astrofísicas quando os custos e os resultados são reconciliados. Oficiais da agência espacial dos EUA decidem estender a missão até o lançamento do próximo telescópio espacial infravermelho JWST, previsto para 2018. Quando o lançamento do mesmo for adiado para 2021, a agência espacial, após tentar encontrar fontes externas de financiamento, decide não estender a missão de Spitzer alémjaneiro de 2020.

Fim da missão

O telescópio circula em uma órbita próxima à da Terra. Ele está se afastando gradualmente dele (no início de 2020, o telescópio está localizado a 260 milhões de quilômetros da Terra, mais de 700 vezes a distância Terra-Lua). Como consequência da posição relativa do telescópio em relação à Terra, a orientação de seus painéis solares durante as sessões de telecomunicações é cada vez mais desfavorável e estes são gradualmente encurtados. Após 16 anos de operações, a NASA decide encerrar a missão em30 de janeiro de 2020. Comandos são enviados pelo centro de controle para que Spitzer entre em modo de sobrevivência com seus painéis solares apontados para o sol. O telescópio espacial continuará a se afastar gradualmente da Terra antes de se aproximar novamente e passar perto dela (8 vezes a distância Terra-Lua) em 2053. O sinal de rádio será muito fraco neste momento. - haverá necessidade de equipamentos especialmente projetado para capturá-lo. O custo da missão, incluindo lançamento, realização de operações e análise de dados, é estimado em US $ 1,19 bilhão ao longo da missão principal e em US $ 1,36 bilhão incluindo operações até a desativação em 2020.

Objetivos científicos

Todos os objetos no Universo produzem continuamente emissões em todo o espectro eletromagnético ( luz visível , infravermelho , ultravioleta , ondas de rádio , raios gama e raios X ) que fornecem informações sobre sua estrutura e os processos que os afetam. Grande parte dessas emissões, principalmente as emissões de infravermelho, só podem ser observadas do espaço porque não atingem o solo terrestre sendo interceptadas pela atmosfera terrestre. A radiação infravermelha é particularmente interessante porque é emitida por qualquer objeto com temperatura acima de 0 Kelvin ( −273,15  ° C ). Este recurso permite que telescópios infravermelhos como o Spitzer observem fenômenos invisíveis em outros comprimentos de onda, como:

Órbita

O telescópio infravermelho deve se manter o mais longe possível de qualquer fonte de calor e ser capaz de manter seus instrumentos a uma temperatura próxima a 0 kelvin sem consumir muito rapidamente o hélio usado para resfriá-los. Os projetistas da missão optam, ao contrário dos telescópios infravermelhos que precedem, não colocar o Spitzer em órbita ao redor da Terra, porque este reflete parte do calor emitido pelo Sol , mas colocá-lo em uma órbita heliocêntrica paralela . a Terra que atravessa em 372 dias. Nesta órbita, a temperatura do telescópio cai passivamente para 34 Kelvin, economizando hélio para o resfriamento inicial. Além disso, estando longe da Terra, o Spitzer tem um campo de observação muito maior: 30% do céu pode ser observado a qualquer momento, enquanto o resto do céu pode ser visto duas vezes por ano durante períodos de dias consecutivos de cerca de 40 dias. A mira do telescópio é enquadrada por duas restrições: seu eixo não deve se aproximar mais do que 80 ° ao do Sol porque além do painel solar / quebra-sol não pode mais evitar que aqueça e ele não deve se afastar do Sol. eixo em mais de 120 ° para que as células solares possam produzir energia suficiente. Em sua órbita, o Spitzer se afasta gradualmente da Terra (gira menos rapidamente em torno do Sol) a uma taxa de um décimo de UA por ano. Essa distância progressiva leva a uma diminuição progressiva da taxa de fluxo nas trocas com a Terra.

Características técnicas

O Spitzer é o menor dos Grandes Observatórios da NASA: ele mede um terço do comprimento do Telescópio Espacial Hubble por um onze avos de sua massa. É uma máquina cilíndrica com 4,45 metros de comprimento e 2,1 metros de diâmetro que é composta por três subconjuntos:

O Spitzer tem uma massa de 950  kg incluindo os 15,6  kg de nitrogênio usados ​​para correções de órbita e os 360  litros de hélio (50,4  kg ) usados ​​para resfriar os instrumentos e o telescópio. Seus painéis solares fornecem 400 watts que são armazenados em baterias com capacidade de 16 amperes-hora. A mira do telescópio é realizada por meio de rodas de reação . A dessaturação das rodas de reação é realizada usando dois conjuntos de seis propulsores de gás frio usando nitrogênio .

Isolamento térmico

O telescópio deve ser mantido o mais resfriado possível para que os objetos vistos pelos instrumentos não sejam confundidos pelos instrumentos com outras fontes de calor (infravermelho) dos próprios instrumentos. O calor é produzido pela radiação solar que atinge os painéis solares (à direita no diagrama ao lado) e a eletrônica do módulo de serviço (na parte inferior do diagrama). A parte da carga útil do Spitzer que deve ser mantida em temperaturas muito baixas é chamada de CTA ( Cryogenic Telescope Assembly ). O satélite está orientado para que o Sol nunca atinja o CTA. O CTA é composto por quatro subconjuntos: o telescópio, o compartimento contendo os instrumentos científicos (exceto eletrônicos), o criostato e o envelope externo responsável por isolar termicamente este conjunto. O telescópio carrega hélio líquido que por evaporação permite que o calor seja evacuado, mas para a missão durar é essencial que o calor excedente seja evacuado ou interrompido isolando o melhor possível as partes frias do telescópio e seus instrumentos.

O calor é difundido em direção ao telescópio e seus instrumentos por condução (através dos espaçadores que unem os vários componentes) e por radiação. A AHU é fixada ao módulo de serviço por espaçadores projetados para limitar a transferência de calor. Duas blindagens térmicas localizadas por um lado entre a AHU e o módulo de serviço e por outro lado entre a AHU e os painéis solares interceptam e evacuam no vácuo por radiação a maior parte do calor produzido. O invólucro externo do CTA, feito de colmeia de alumínio, é pintado de preto na face oposta à do Sol para evacuar o máximo de calor para o espaço. É brilhante do outro lado para refletir a radiação do sol. O criostato consiste em um invólucro no qual um vácuo é criado e contém hélio líquido: os vapores produzidos pela evaporação resfriam o todo a uma temperatura de cerca de 5 Kelvin, compensando a pequena quantidade de calor (modelado em 4  mW ) que atinge o núcleo do telescópio ou que é produzido pelos detectores dos instrumentos. O CTA é fechado em sua extremidade superior por uma tampa para limitar a evaporação do hélio no início do vôo. Esta parte do telescópio é ejetada para permitir que a luz alcance o espelho principal quando a temperatura da montagem cair abaixo de 35 Kelvin.

Telecomunicações

As trocas entre o satélite e a Terra não ocorrem continuamente porque a antena de alto ganho usada para comunicações é fixa e não está apontada para a Terra quando o telescópio está em operação. Uma vez a cada 12 a 24 horas, a orientação do telescópio é alterada para permitir que a antena seja apontada para a Terra e os dados sejam transferidos. O telescópio tem uma memória de massa com capacidade de 8 gigabits que pode permitir que você pule uma sessão de telecomunicação. O Spitzer também possui quatro antenas de baixo ganho.

Diagrama de Spitzer e vista em corte
Diagram-space-telescope-Spitzer.png Telescope-spitzer-en-coupe.png
A Parte óptica  : 1 - espelho secundário; 2 - casca externa; 3 - espelho primário; 11 tampa protetora contra poeira;
B Criostato  : 4 - compartimento do instrumento; 10 - tanque de hélio; C Módulo de serviço  : 5 - blindagem do módulo de serviço; 6 - localizadores de estrelas;
7 - baterias; 8 - antena de alto ganho; 9 - tanque de nitrogênio; 12 - espaçadores; 13 - unidade de inércia; D Painéis solares  : 14 - blindagem do painel solar.

Carga útil

A carga útil do Spitzer consiste no telescópio (a parte óptica), no compartimento que contém os instrumentos científicos (excluindo os eletrônicos) e nos eletrônicos dos instrumentos localizados no módulo de serviço para limitar o aquecimento dos detectores.

Parte ótica

A parte óptica do Spitzer é um telescópio do tipo Ritchey-Chrétien com um espelho primário de 85 centímetros de diâmetro. O telescópio também inclui um espelho secundário de 12  cm de diâmetro e uma torre que conecta os dois espelhos. O espelho secundário é montado em um mecanismo que permite que a distância do espelho primário seja alterada quando o telescópio estiver em órbita. Todas as partes do telescópio, exceto os suportes, são feitas de berílio . Este metal tem a vantagem de ser leve, forte e pouco sensível às mudanças térmicas. A massa total do telescópio é de 55  kg para uma altura de 90  cm . A distância focal é de 10,2 metros.

Instrumentos científicos

A radiação infravermelha coletada pelo telescópio pode ser analisada por três instrumentos, mas ao contrário do Telescópio Espacial Hubble , apenas um instrumento pode operar por vez. Estes são colocados em um compartimento de alumínio de 84  cm de diâmetro e 20  cm de altura que recebe por um orifício localizado no meio de sua parte superior a radiação infravermelha captada pelo telescópio. O compartimento é colocado diretamente acima do criostato preenchido com hélio líquido, o que mantém os instrumentos a uma temperatura próxima a 0 kelvin . Os componentes eletrônicos do instrumento, uma fonte de calor, são colocados no módulo de serviço. Os três instrumentos de bordo são:

Resultados

Durante 2010, quase 2.000 publicações científicas baseadas em observações feitas usando o Spitzer foram publicadas.

O telescópio Spitzer torna possível observar muitos fenômenos pela primeira vez:

Exoplanetas

Embora a observação de exoplanetas não estivesse entre os objetivos originais da missão Spitzer, o telescópio espacial fez importantes descobertas neste campo graças à sua capacidade de observação infravermelha e à precisão de seu sistema de pontuação:

Sucessores

Em 2009 , foi lançado o satélite Herschel com espelho de 3,5 metros, que permite a análise de raios infravermelhos com comprimentos de onda mais longos. O telescópio espacial JWST da NASA está definido para assumir o controle em 2021 com um espelho primário que tem uma área cinquenta vezes o tamanho do Spitzer.

Notas e referências

Notas

  1. A face de um satélite de órbita baixa voltado para a Terra pode atingir uma temperatura de −23  ° C devido à emissão de radiação infravermelha pela Terra.

Referências

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Bibliografia

Veja também

Artigos relacionados

links externos