El equipo comienza a alinear el telescopio espacial web


Esta animación muestra el camino que seguirá la luz cuando llegue al primario.[{» attribute=»»>James Webb Space Telescope (JWST) mirror, and is reflected to the secondary, and then in through the aft optics assembly where the tertiary and fine steering mirrors are. The light is then reflected and split and directed to the science instruments by pick-off mirrors. JWST is a three-mirror anastigmat telescope. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

This week, the three-month process of aligning the telescope began – and over the last day, Webb team members saw the first photons of starlight that traveled through the entire telescope and were detected by the Near Infrared Camera (NIRCam) instrument. This milestone marks the first of many steps to capture images that are at first unfocused and use them to slowly fine-tune the telescope. This is the very beginning of the process, but so far the initial results match expectations and simulations.

A team of engineers and scientists from Ball Aerospace, Space Telescope Science Institute, and NASA’s Goddard Space Flight Center will now use data taken with NIRCam to progressively align the telescope. The team developed and demonstrated the algorithms using a 1/6th scale model telescope testbed. They have simulated and rehearsed the process many times and are now ready to do this with Webb. The process will take place in seven phases over the next three months, culminating in a fully aligned telescope ready for instrument commissioning. The images taken by Webb during this period will not be “pretty” images like the new views of the universe Webb will unveil later this summer. They strictly serve the purpose of preparing the telescope for science.

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To work together as a single mirror, the telescope’s 18 primary mirror segments need to match each other to a fraction of a wavelength of light – approximately 50 nanometers. To put this in perspective, if the Webb primary mirror were the size of the United States, each segment would be the size of Texas, and the team would need to line the height of those Texas-sized segments up with each other to an accuracy of about 1.5 inches.

Scott Acton y Chanda Walker de Ball Aerospace, junto con Lee Feinberg de NASA Goddard, recorren los pasos básicos a continuación:

“Con el despliegue de los segmentos del espejo ahora completo y los instrumentos encendidos, el equipo ha comenzado los numerosos pasos necesarios para preparar y calibrar el telescopio para que haga su trabajo. El proceso de puesta en marcha del telescopio llevará mucho más tiempo que los telescopios espaciales anteriores porque el espejo principal de Webb consta de 18 segmentos de espejo individuales que deben trabajar juntos como una sola superficie óptica de alta precisión. Los pasos en el proceso de puesta en marcha incluyen:

  1. Identificación de imagen de segmento
  2. Alineación de segmento
  3. Apilamiento de imágenes
  4. Fase gruesa
  5. Fase fina
  6. Alineación del telescopio sobre los campos de visión del instrumento
  7. Iterar alineación para la corrección final

1. Identificación de imagen de segmento

Primero, necesitamos alinear el telescopio en relación con la nave espacial. La nave espacial es capaz de realizar movimientos de apuntamiento extremadamente precisos, utilizando «seguidores de estrellas». Piense en los rastreadores de estrellas como un GPS para naves espaciales. Al principio, la posición de la nave espacial de los rastreadores de estrellas no coincide con la posición de cada uno de los segmentos del espejo.

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Estamos apuntando el telescopio a una estrella brillante y aislada (HD 84406) para capturar una serie de imágenes que luego se unen para formar una imagen de esa parte del cielo. Pero recuerda, no tenemos un solo espejo mirando esta estrella; tenemos 18 espejos, cada uno de los cuales está inicialmente inclinado hacia una parte diferente del cielo. Como resultado, en realidad capturaremos 18 copias ligeramente desplazadas de la estrella, cada una fuera de foco y distorsionada de manera única. Nos referimos a estas copias estelares iniciales como «imágenes de segmento». De hecho, dependiendo de las posiciones iniciales de los espejos, pueden ser necesarias varias iteraciones para ubicar los 18 segmentos en una imagen.

Ejemplo simulado de una posible implementación inicial que muestra imágenes de 18 segmentos. Crédito: NASA

Uno por uno, moveremos los 18 segmentos del espejo para determinar qué segmento crea qué imagen de segmento. Después de hacer coincidir los segmentos del espejo con sus respectivas imágenes, podemos inclinar los espejos para acercar todas las imágenes a un punto común para un análisis posterior. Llamamos a este arreglo una «matriz de imágenes».

2. Alineación de segmentos

Una vez que tenemos la matriz de imágenes, podemos realizar la alineación de segmentos, que corrige la mayoría de los grandes errores de posicionamiento de los segmentos del espejo.

Empezamos desenfocando las imágenes de los segmentos moviendo ligeramente el espejo secundario. Se aplica un análisis matemático, llamado recuperación de fase, a las imágenes desenfocadas para determinar los errores de posicionamiento precisos de los segmentos. Los ajustes de los segmentos dan como resultado 18 «telescopios» bien corregidos. Sin embargo, los segmentos aún no funcionan juntos como un solo espejo.

Simulación de alineación de segmentos web

(Izquierda) Antes: matriz inicial simulada de imágenes. (Derecha) Después: Matriz simulada de 18 segmentos corregidos. Crédito: NASA

3. Apilamiento de imágenes

Para poner toda la luz en un solo lugar, cada segmento de imagen debe apilarse uno encima del otro. En el paso de apilamiento de imágenes, movemos las imágenes de segmentos individuales para que caigan precisamente en el centro del campo para producir una imagen unificada. Este proceso prepara el telescopio para la puesta en fase gruesa.

El apilamiento se realiza secuencialmente en tres grupos (segmentos A, segmentos B y segmentos C).

Segmentos de espejo web

Simulación de apilamiento de imágenes web

Simulación de apilamiento de imágenes. Primer panel: Mosaico de imagen inicial. Segundo panel: segmentos A apilados. Tercer panel: segmentos A y B apilados. Cuarto panel: segmentos A, B y C apilados. Crédito: NASA

4. Desfase grueso

Aunque Image Stacking pone toda la luz en un solo lugar en el detector, los segmentos siguen actuando como 18 telescopios pequeños en lugar de uno grande. Los segmentos deben alinearse entre sí con una precisión menor que la longitud de onda de la luz.

Realizado tres veces durante el proceso de puesta en marcha, Coarse Phaser mide y corrige el desplazamiento vertical (diferencia de pistón) de los segmentos del espejo. Usando una tecnología conocida como detección de franjas dispersas, usamos NIRCam para capturar espectros de luz de 20 pares separados de segmentos de espejo. El espectro diferirá de forma similar a un patrón de barra de barbero con una pendiente (o ángulo) determinada por el pistón de los dos segmentos en el emparejamiento.

Simulación de sensor de franja dispersa Webb

En esta simulación, los patrones de «poste de barbero» son creados por el sensor de franja dispersa que indica un error de pistón grande (arriba) o un error de pistón pequeño (abajo). Crédito: NASA

5. Fases finas

Fine Phasing también se lleva a cabo tres veces, directamente después de cada ronda de Coarse Phasing, y luego de manera rutinaria a lo largo de la vida de Webb. Estas operaciones miden y corrigen los errores de alineación restantes utilizando el mismo método de desenfoque aplicado durante la alineación de segmentos. Sin embargo, en lugar de usar el espejo secundario, usamos elementos ópticos especiales dentro del instrumento científico que introduce cantidades variables de desenfoque para cada imagen (-8, -4, +4 y +8 ondas de desenfoque).

Simulación de fase fina web

Una simulación de las imágenes desenfocadas utilizadas en Fine Phasing. Las imágenes (arriba) muestran el desenfoque introducido en un telescopio casi alineado. El análisis (abajo) indica los errores asociados con cada segmento del telescopio. Los segmentos con colores muy brillantes u oscuros necesitan correcciones más grandes. Crédito: NASA

6. Alineación del telescopio sobre los campos de visión del instrumento

Después de Fine Phasing, el telescopio estará bien alineado en un lugar en el campo de visión de NIRCam. Ahora necesitamos extender la alineación al resto de los instrumentos.

En esta fase del proceso de puesta en marcha, hacemos mediciones en múltiples ubicaciones, o puntos de campo, en cada uno de los instrumentos científicos, como se muestra a continuación. Más variación en la intensidad indica errores más grandes en ese punto de campo. Un algoritmo calcula las correcciones finales necesarias para lograr un telescopio bien alineado en todos los instrumentos científicos.

Simulación de corrección del campo de visión de Webb

Análisis simulado de la corrección del campo de visión. Crédito: NASA

7. Iterar la alineación para la corrección final

Después de aplicar la corrección del campo de visión, la clave que queda por abordar es la eliminación de cualquier pequeño error de posicionamiento residual en los segmentos del espejo primario. Medimos y hacemos correcciones usando el proceso Fine Phasing. Haremos una verificación final de la calidad de la imagen en cada uno de los instrumentos científicos; una vez que esto se verifique, el proceso de detección y control del frente de onda estará completo.

A medida que avanzamos en los siete pasos, es posible que descubramos que también necesitamos iterar los pasos anteriores. El proceso es flexible y modular para permitir la iteración. Después de aproximadamente tres meses de alinear el telescopio, estaremos listos para proceder a la puesta en servicio de los instrumentos”.

Escrito por Scott Acton, científico de control y detección de frente de onda líder de Webb, Ball Aerospace; Chanda Walker, científico de control y detección de frente de onda de Webb, Ball Aerospace; y Lee Feinberg, gerente de elemento del telescopio óptico Webb, Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

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