Esta semana comenzó el proceso de tres meses para alinear el telescopio, y durante el último día los miembros del equipo de Webb vieron los primeros fotones de luz estelar que viajaron a través de todo el telescopio y fueron detectados por el instrumento Near Infrared Camera (NIRCam). Este hito marca el primero de muchos pasos para capturar imágenes que al principio están desenfocadas y usarlas para ajustar lentamente el telescopio. Este es el comienzo del proceso, pero hasta ahora los resultados iniciales coinciden con las expectativas y las simulaciones.
Un equipo de ingenieros y científicos de Ball Aerospace, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA ahora usarán los datos tomados con NIRCam para alinear progresivamente el telescopio . El equipo desarrolló y demostró los algoritmos utilizando un banco de pruebas de telescopio modelo a escala 1/6. Han simulado y ensayado el proceso muchas veces y ahora están listos para hacerlo con Webb. El proceso se llevará a cabo en siete fases durante los próximos tres meses, culminando en un telescopio completamente alineado y listo para la puesta en servicio del instrumento. Las imágenes tomadas por Webb durante este período no serán imágenes “bonitas” como las nuevas vistas del universo que Webb revelará a finales de este verano. Sirven estrictamente al propósito de preparar el telescopio para la ciencia.
Para trabajar juntos como un solo espejo, los 18 segmentos del espejo primario del telescopio deben coincidir entre sí en una fracción de longitud de onda de luz, aproximadamente 50 nanómetros. Para poner esto en perspectiva, si el espejo principal de Webb fuera del tamaño de Europa, cada segmento sería del tamaño de España, y el equipo tendría que alinear la altura de esos segmentos del tamaño de España entre sí con una precisión de aproximadamente 1,5 pulgadas.
Foto de los espejos del telescopio James Webb cuando aún estaba en Tierra. Crédito: NASA
Scott Acton y Chanda Walker de Ball Aerospace, junto con Lee Feinberg de NASA Goddard, nos han explicado los pasos básicos que deberían realizarse a partir de ahora y que se detallan 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 única superficie óptica de alta precisión. Los pasos en el proceso de puesta en marcha incluyen:
Identificación de imagen de segmento;
Alineación de segmentos;
Apilamiento de imágenes;
Desfase grueso;
Desfase fino;
Alineación del telescopio sobre los campos de visión del instrumento; y
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 con la de los rastreadores de estrellas no coincide con la posición de cada uno de los segmentos del espejo.
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 múltiples 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 imagen de segmento crea. 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.
Antes: matriz inicial simulada de imágenes.
Después: matriz simulada de 18 segmentos corregidos.
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 desfase grueso.
El apilamiento se realiza secuencialmente en tres grupos (segmentos A, segmentos B y segmentos C).
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.
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 se asemejará a un patrón de barra de barbero con una pendiente (o ángulo) determinada por la diferencia de pistón de los dos segmentos en el emparejamiento.
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).
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 introducen cantidades variables de desenfoque para cada imagen (-8, -4, +4 y +8 ondas de desenfoque).
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.
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, realizamos 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.
Análisis simulado de la corrección del campo de visión.
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”.
—Scott Acton, científico líder en control y detección de frente de onda de Webb, Ball Aerospace; Chanda Walker, científico de control y detección de frente de onda de Webb, Ball Aerospace; y Lee Feinberg, gerente de elementos del telescopio óptico Webb, Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
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