Así es exactamente cómo los ingenieros alinean los espejos segmentados de JWST

Los ingenieros del telescopio espacial James Webb se encuentran en medio de un complejo proceso de tres meses para alinear los 18 segmentos separados del espejo del telescopio para que funcionen juntos como un espejo principal gigante y de alta precisión de 6,5 metros (21,3 pies).

Este proceso, llamado fase, comenzó a principios de febrero e incluye siete pasos diferentes, que van desde tomar las ubicaciones iniciales de los espejos después de que se implementan, hasta la alineación «aproximada» y luego «fina», y luego verificar el funcionamiento del espejo con los cuatro instrumentos Webb y sus diferentes campos de visión.

A partir de esta semana, los ingenieros están solo en la segunda etapa, una indicación de la precisión y el detalle de este procedimiento. Y aunque los equipos de Webb han probado y simulado el proceso innumerables veces aquí en la Tierra, nunca han podido realizar todo el proceso en todas las condiciones espaciales que experimenta actualmente el telescopio. Los ingenieros pueden simular el frío y el vacío del espacio aquí en la Tierra, pero no pueden simular la gravedad cero.

Modelo a escala 1/6 completamente funcional del espejo JWST en el banco de pruebas ópticas. Crédito: NASA

«Construimos un telescopio de banco de pruebas, que se parece mucho al Webb pero tiene un tamaño de 1/6», explicó Lee Feinberg, gerente de elementos del telescopio óptico para la misión, en una entrevista el mes pasado. «Y demostramos que sabemos cómo mover los espejos para alinearlos. Luego probamos el telescopio completo en la cámara de vacío del Centro Espacial Johnson a temperatura y presión. Allí pudimos demostrar aspectos del proceso, pero no todo, así que la primera vez que hacemos el Todo el proceso es cuando el telescopio está en el espacio.

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El 12 de febrero, el equipo del telescopio anunció los primeros fotones de la luz de las estrellas habían pasado a través de todo el telescopio y habían sido detectados por el instrumento Near Infrared Camera (NIRCam). NICCam se usa para alinear los espejos y calibrar el telescopio, y tomó 18 imágenes borrosas de una estrella, una imagen de cada segmento del espejo. Ahora los científicos e ingenieros han tomado esas imágenes borrosas y las están usando para refinar lentamente el telescopio. El equipo dice que, hasta el momento, los primeros resultados coinciden con las expectativas y las simulaciones.

«Me gusta pensar que tenemos 18 espejos que son en este momento, pequeñas prima donnas, cada una haciendo lo suyo, cantando su propia melodía en cualquier clave», dijo la científica del proyecto Webb, Jane Rigby. , durante una conferencia de prensa a principios de este mes. «Tenemos que hacer que funcionen como un coro, y es un proceso metódico y minucioso».

Los 18 segmentos del espejo primario del telescopio deben corresponder a una fracción de longitud de onda de la luz, unos 50 nanómetros. Cada segmento tiene seis actuadores o pequeños motores mecánicos conectados a la parte trasera que pueden alinear los segmentos, así como un actuador adicional en el centro de cada segmento que ajusta su curvatura.

El primer paso en este proceso, llamado «Identificación de imagen de segmento», pidió al equipo que moviera cada uno de los 18 segmentos del espejo primario de Webb para traer 18 copias desenfocadas de una sola estrella en una formación hexagonal planificada. La imagen principal, arriba, muestra esta alineación. Los primeros movimientos de los segmentos del espejo pueden ser tan pequeños como un centímetro o menos, los movimientos finales serán decenas de nanómetros, o solo una diezmilésima parte del ancho de un cabello humano.

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Los pasos restantes:

2. Alineación de segmentos: Un proceso llamado Phase Retrieval utiliza análisis matemáticos para determinar los errores de posicionamiento precisos de los segmentos. Los ajustes de los segmentos dan entonces 18 «telescopios» bien corregidos. Sin embargo, en su etapa actual, los segmentos aún no funcionan juntos como un solo espejo.

3. Apilamiento de imágenes: Las imágenes de cada imagen de segmento se apilan una encima de la otra. Luego, las imágenes de los segmentos individuales se mueven para que caigan precisamente en el centro del campo para producir una imagen unificada. Esto pone toda la luz en un solo lugar en el detector.

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

4. Fases gruesas: En este punto, los segmentos aún actúan como 18 telescopios pequeños en lugar de uno grande. La fase gruesa es el proceso de alinear segmentos entre sí con una precisión por debajo de la longitud de onda de la luz. Utilizando una tecnología conocida como detección de franjas dispersas, NIRCam capturará los espectros de luz de 20 pares distintos de segmentos de espejo. Esta operación se realizará al menos tres veces.

5. Fases finas: Después de cada ciclo de fase grueso, los ingenieros realizarán una fase fina, donde medirán y corregirán cualquier desalineación restante utilizando el mismo método de desenfoque aplicado durante el paso 2, alineación de segmentos. Sin embargo, en lugar de usar el espejo secundario, usarán elementos ópticos especiales dentro del instrumento científico que introducen cantidades variables de desenfoque para cada cuadro.

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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) muestra los errores asociados con cada segmento del telescopio. Los segmentos con colores muy claros u oscuros requieren mayores correcciones. Crédito: NASA

6. Alineación del telescopio en los campos de visión de los instrumentos: Esto toma la alineación de NIRCam en fase fina para asegurarse de que la alineación funcione para el resto de los instrumentos. Los ingenieros tomarán medidas en varios campos de visión y harán correcciones para lograr un telescopio bien alineado con todos los instrumentos científicos.

Un análisis simulado de la corrección del campo de visión. Crédito: NASA

7. Iterar la alineación para la corrección final: Este paso elimina cualquier pequeño error de posicionamiento residual en los segmentos del espejo primario y verifica la calidad de la imagen en cada uno de los instrumentos científicos.

“A medida que avanzamos por las siete etapas, es posible que descubramos que también tenemos que repetir las etapas anteriores”, dijo el equipo. escribió en su blog. “El proceso es flexible y modular para permitir la iteración. Después de unos tres meses de alineación del telescopio, estaremos listos para proceder con la puesta en servicio de los instrumentos.

Ninguna de las imágenes tomadas durante los procedimientos de alineación será la imagen «bonita» que estamos acostumbrados a ver con otros telescopios espaciales. Espere ver las primeras imágenes de luz real del JWST completamente funcional para junio o principios de julio.

Título de la imagen principal: Esta primera imagen de alineación de Webb, con puntos de luz estelar dispuestos en un patrón similar a la forma de panal del espejo primario, se denomina «matriz de imágenes». Crédito: NASA/STScI/J. DePasquale

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