Equipe começa a alinhar o Telescópio Espacial Web


Esta animação mostra o caminho que a luz seguirá quando atingir o[{” 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 e Chanda Walker da Ball Aerospace, juntamente com Lee Feinberg da NASA Goddard, percorrem os passos básicos abaixo:

“Com a implantação dos segmentos do espelho agora concluída e os instrumentos ligados, a equipe iniciou as inúmeras etapas necessárias para preparar e calibrar o telescópio para fazer seu trabalho. O processo de comissionamento do telescópio levará muito mais tempo do que os telescópios espaciais anteriores porque o espelho primário do Webb consiste em 18 segmentos de espelho individuais que precisam trabalhar juntos como uma única superfície óptica de alta precisão. As etapas do processo de comissionamento incluem:

  1. Identificação da imagem do segmento
  2. Alinhamento do Segmento
  3. Empilhamento de imagens
  4. Faseamento grosseiro
  5. Faseamento Fino
  6. Alinhamento do telescópio sobre os campos de visão do instrumento
  7. Iterar Alinhamento para Correção Final

1. Identificação da imagem do segmento

Primeiro, precisamos alinhar o telescópio em relação à espaçonave. A espaçonave é capaz de fazer movimentos de apontamento extremamente precisos, usando “rastreadores de estrelas”. Pense nos rastreadores de estrelas como um GPS para naves espaciais. A princípio, a posição da espaçonave dos rastreadores de estrelas não corresponde à posição de cada um dos segmentos do espelho.

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Estamos apontando o telescópio para uma estrela brilhante e isolada (HD 84406) para capturar uma série de imagens que são então costuradas para formar uma imagem dessa parte do céu. Mas lembre-se, não temos apenas um espelho olhando para esta estrela; temos 18 espelhos, cada um dos quais é inicialmente inclinado para uma parte diferente do céu. Como resultado, iremos capturar 18 cópias ligeiramente deslocadas da estrela – cada uma fora de foco e distorcida de forma única. Referimo-nos a essas cópias em estrela iniciais como “imagens de segmento”. Na verdade, dependendo das posições iniciais dos espelhos, podem ser necessárias várias iterações para localizar todos os 18 segmentos em uma imagem.

Exemplo simulado de uma possível implantação inicial mostrando imagens de 18 segmentos. Crédito: NASA

Um por um, moveremos os 18 segmentos espelhados para determinar qual segmento cria qual imagem de segmento. Depois de combinar os segmentos do espelho com suas respectivas imagens, podemos inclinar os espelhos para aproximar todas as imagens de um ponto comum para análise posterior. Chamamos esse arranjo de “matriz de imagens”.

2. Alinhamento do Segmento

Após termos o array de imagens, podemos realizar o Segment Alignment, que corrige a maioria dos grandes erros de posicionamento dos segmentos do espelho.

Começamos desfocando as imagens do segmento movendo levemente o espelho secundário. A análise matemática, chamada Phase Retrieval, é aplicada às imagens desfocadas para determinar os erros de posicionamento precisos dos segmentos. Os ajustes dos segmentos resultam em 18 “telescópios” bem corrigidos. No entanto, os segmentos ainda não funcionam juntos como um único espelho.

Simulação de alinhamento de segmento da web

(Esquerda) Antes: Matriz inicial simulada de imagens. (Direita) Depois: Matriz simulada de 18 segmentos corrigidos. Crédito: NASA

3. Empilhamento de imagens

Para colocar toda a luz em um único lugar, cada imagem de segmento deve ser empilhada uma sobre a outra. Na etapa de empilhamento de imagens, movemos as imagens de segmentos individuais para que caiam precisamente no centro do campo para produzir uma imagem unificada. Este processo prepara o telescópio para o Faseamento de Coarse.

O empilhamento é realizado sequencialmente em três grupos (segmentos A, segmentos B e segmentos C).

Segmentos de Web Mirror

Simulação de empilhamento de imagens da Web

Simulação de empilhamento de imagens. Primeiro painel: Mosaico da imagem inicial. Segundo painel: segmentos A empilhados. Terceiro painel: segmentos A e B empilhados. Quarto painel: segmentos A, B e C empilhados. Crédito: NASA

4. Faseamento grosseiro

Embora o Image Stacking coloque toda a luz em um só lugar no detector, os segmentos ainda estão agindo como 18 pequenos telescópios em vez de um grande. Os segmentos precisam ser alinhados uns com os outros com uma precisão menor que o comprimento de onda da luz.

Realizado três vezes durante o processo de comissionamento, o Coarse Phasing mede e corrige o deslocamento vertical (diferença do pistão) dos segmentos do espelho. Usando uma tecnologia conhecida como Dispersed Fringe Sensing, usamos o NIRCam para capturar espectros de luz de 20 pares separados de segmentos de espelho. O espectro será diferente de um padrão de poste de barbeiro com uma inclinação (ou ângulo) determinada pelo pistão dos dois segmentos no emparelhamento.

Simulação de sensor de franja de dispersão Webb

Nesta simulação, os padrões de “Barber pole” são criados pelo Sensor Disperse Fringe indicando um grande erro de pistão (superior) ou um pequeno erro de pistão (inferior). Crédito: NASA

5. Faseamento Fino

O Fine Phasing também é realizado três vezes, diretamente após cada rodada de Coarse Phasing e, em seguida, rotineiramente durante toda a vida útil do Webb. Essas operações medem e corrigem os erros de alinhamento restantes usando o mesmo método de desfocagem aplicado durante o Alinhamento do Segmento. No entanto, em vez de usar o espelho secundário, usamos elementos ópticos especiais dentro do instrumento científico que introduz quantidades variáveis ​​de desfocagem para cada imagem (-8, -4, +4 e +8 ondas de desfocagem).

Simulação de fase fina da Web

Uma simulação das imagens desfocadas usadas no Fine Phasing. As imagens (topo) mostram o desfoque introduzido em um telescópio quase alinhado. A análise (abaixo) indica os erros associados a cada segmento do telescópio. Segmentos com cores muito claras ou escuras precisam de correções maiores. Crédito: NASA

6. Alinhamento do telescópio sobre os campos de visão do instrumento

Após o Fine Phasing, o telescópio estará bem alinhado em um local no campo de visão do NIRCam. Agora precisamos estender o alinhamento para o resto dos instrumentos.

Nesta fase do processo de comissionamento, fazemos medições em vários locais, ou pontos de campo, em cada um dos instrumentos científicos, conforme mostrado abaixo. Mais variação na intensidade indica erros maiores nesse ponto de campo. Um algoritmo calcula as correções finais necessárias para obter um telescópio bem alinhado em todos os instrumentos científicos.

Simulação de Correção de Campo de Visão Webb

Análise simulada da correção do Campo de Visão. Crédito: NASA

7. Iterar Alinhamento para Correção Final

Depois de aplicar a correção do campo de visão, a principal coisa que resta a ser abordada é a remoção de quaisquer pequenos erros de posicionamento residuais nos segmentos do espelho primário. Medimos e fazemos correções usando o processo Fine Phasing. Faremos uma verificação final da qualidade da imagem em cada um dos instrumentos científicos; uma vez verificado, o processo de detecção e controle da frente de onda estará completo.

À medida que percorremos as sete etapas, podemos descobrir que também precisamos iterar as etapas anteriores. O processo é flexível e modular para permitir a iteração. Após cerca de três meses de alinhamento do telescópio, estaremos prontos para proceder ao comissionamento dos instrumentos.”

Escrito por Scott Acton, cientista líder de detecção e controle de frente de onda da Webb, Ball Aerospace; Chanda Walker, cientista de controle e detecção de frente de onda Webb, Ball Aerospace; e Lee Feinberg, gerente de elementos do telescópio óptico Webb, Goddard Space Flight Center da NASA.

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