El equipo comienza a alinear el Telescopio Espacial Webb

Esta animación muestra el camino que seguirá una luz cuando llegue al escenario principal.[{» 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.

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.

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

«Con los segmentos del espejo ahora completos y los instrumentos desplegados, el equipo ha comenzado los muchos pasos necesarios para configurar y calibrar el telescopio para que haga su trabajo. Tomará mucho más tiempo operar el telescopio que los telescopios espaciales anteriores porque el espejo principal de Webb está compuesto de 18 piezas de espejo individuales que deben funcionar juntas como una sola superficie óptica.Alta precisión.Los pasos del proceso de puesta en marcha incluyen:

  1. Definición de una imagen segmentaria
  2. alineación de piezas
  3. apilar fotos
  4. progreso aproximado
  5. preciso progresivo
  6. Alinee el telescopio sobre los campos de visión del dispositivo
  7. Repita la alineación para la corrección final

1. Determinar la imagen segmentaria

Primero, necesitamos alinear el telescopio con respecto a la nave espacial. La nave espacial puede realizar movimientos de guía muy precisos, utilizando «seguidores de estrellas». Piense en los rastreadores de estrellas como el GPS de una nave espacial. Inicialmente, la posición de la nave espacial de los rastreadores de estrellas no coincide con la posición de cada uno de los segmentos del espejo.

Apuntamos el telescopio a una estrella brillante y aislada (HD 84406) para tomar una serie de imágenes que 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 inicialmente inclinado hacia una parte diferente del cielo. Como resultado, capturaremos 18 versiones ligeramente alteradas de la estrella, cada una fuera de foco y distorsionada de manera única. Nos referimos a estas primarias repletas de estrellas como «imágenes divididas». De hecho, dependiendo de las posiciones iniciales de los espejos, se pueden necesitar varias iteraciones para seleccionar los 18 segmentos en una sola imagen.

Un ejemplo simulado de una posible publicación inicial que muestra 18 imágenes transversales. crédito: NASA

Uno por uno, moveremos 18 segmentos en reversa para determinar qué segmento crea la imagen del clip. 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 su posterior análisis. Llamamos a este arreglo la «matriz de imagen».

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2. Alinear la pieza

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

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

Simulación de alineación de elementos web

(Izquierda) Antes: Matriz sin procesar de imágenes. (Derecha) Después: una matriz de simulación de 18 segmentos corregidos. crédito: NASA

3. Apilamiento de imágenes

Para poner toda la luz en un solo lugar, cada imagen transversal debe apilarse una encima de la otra. En el paso de ensamblaje de imágenes, movemos las imágenes CT individuales para que queden precisamente en el centro del campo para producir una imagen única y uniforme. Este proceso prepara el telescopio para las fases gruesas.

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

Duplicar clips web

Simulación de apilamiento de imágenes web

Simulador de apilamiento de imágenes. Primer panel: Mosaico de la imagen en bruto. Segundo panel: rebanadas A apiladas. Tercer panel: segmentos A y B apilados. Cuarto panel: Secciones A, B y C apiladas. crédito: NASA

4. División gradual

Aunque el apilamiento de imágenes pone toda la luz en un solo lugar en el detector, los clips aún funcionan como 18 telescopios pequeños en lugar de un telescopio grande. Las secciones 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, mide y corrige el desplazamiento vertical (diferencia de pistón) de los segmentos del espejo. Usando una tecnología conocida como Fringe Sensing, usamos NIRCam para capturar espectros de luz de 20 pares separados de segmentos de espejo. El espectro se asemejará al patrón de barra de barbero con una pendiente (o ángulo) determinada por la diferencia del pistón entre las dos partes del acoplamiento.

Simulación de sensor de franjas dispersas web

En esta simulación, el sensor de franjas de dispersión genera patrones de «barra de barbero» que indican un error de pistón grande (arriba) o un error de pistón pequeño (abajo). crédito: NASA

5. Precisa progresiva

La microescenificación también se realiza tres veces, inmediatamente después de cada ronda de puesta en escena aproximada y luego de forma rutinaria a lo largo de la vida de Webb. Estos procesos miden y corrigen errores de alineación residuales 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 brindan cantidades variables de desenfoque por imagen (-8, -4, +4, +8 ondas de desenfoque).

Simulación de fase fina web

Simulación de imágenes no enfocadas utilizadas en escalado de precisión. Las imágenes (arriba) muestran el desenfoque presentado a un telescopio aproximadamente alineado. El análisis (abajo) indica los errores asociados con cada segmento del telescopio. Las partes que son de colores brillantes o de color más oscuro necesitan correcciones más grandes. crédito: NASA

6. Alinee el telescopio sobre los campos de visión de los instrumentos

Después de un gradiente preciso, el telescopio estará bien alineado en un punto en el campo de visión de la NIRCam. Ahora necesitamos extender la alineación al resto de las herramientas.

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En este punto del proceso de puesta en servicio, hacemos mediciones en múltiples ubicaciones, o puntos de campo, en cada uno de los instrumentos científicos, como se describe a continuación. Más variación en la intensidad indica mayores errores en ese punto del campo. El algoritmo calcula las correcciones finales necesarias para lograr un telescopio bien alineado en todos los instrumentos científicos.

Campo de visión de corrección de simulación Webb

Análisis de simulación para corregir el campo de visión. crédito: NASA

7. Repita la alineación para la corrección final

Después de aplicar la corrección del campo de visión, lo principal que queda por abordar es eliminar cualquier pequeño error que quede en el posicionamiento de los segmentos del espejo primario. Medimos y hacemos correcciones utilizando un cuidadoso proceso de puesta en escena. Realizaremos una verificación final de la calidad de la imagen a través de ambos instrumentos científicos; Una vez que esto se verifique, se completará el proceso de detección y control del frente de onda.

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

Escrito por Scott Acton, científico líder en control y sensores de frente de onda en Ball Aerospace; Chanda Walker, científico web en control y detección de frente de onda, Ball Aerospace; y Lee Feinberg, director de Webb Optical Telescope Elements, NASA Goddard Space Flight Center.

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