Tim Mulai Menyelaraskan Teleskop Luar Angkasa Web

Animasi ini menunjukkan cahaya jalur akan mengikuti saat menyentuh primer[{” 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.

Scott Acton dan Chanda Walker dari Ball Aerospace, bersama dengan Lee Feinberg dari NASA Goddard, berjalan melalui langkah-langkah dasar di bawah ini:

“Dengan penyebaran segmen cermin sekarang selesai, dan instrumen dihidupkan, tim telah memulai banyak langkah yang diperlukan untuk mempersiapkan dan mengkalibrasi teleskop untuk melakukan tugasnya. Proses commissioning teleskop akan memakan waktu lebih lama daripada teleskop ruang angkasa sebelumnya karena cermin utama Webb terdiri dari 18 segmen cermin individu yang perlu bekerja sama sebagai satu permukaan optik presisi tinggi. Langkah-langkah dalam proses commissioning meliputi:

1. Identifikasi Gambar Segmen
2. Penyelarasan Segmen
3. Penumpukan Gambar
4. Pentahapan Kasar
5. Pentahapan Halus
6. Penyelarasan Teleskop Di Atas Bidang Pandang Instrumen
7. Iterate Alignment untuk Koreksi Akhir

1. Identifikasi Gambar Segmen

Pertama, kita perlu menyelaraskan teleskop relatif terhadap pesawat ruang angkasa. Pesawat ruang angkasa ini mampu membuat gerakan menunjuk yang sangat tepat, menggunakan “pelacak bintang.” Pikirkan pelacak bintang sebagai GPS untuk pesawat ruang angkasa. Pada awalnya, posisi pesawat ruang angkasa dari pelacak bintang tidak sesuai dengan posisi masing-masing segmen cermin.

Kami mengarahkan teleskop ke bintang yang terang dan terisolasi (HD 84406) untuk menangkap serangkaian gambar yang kemudian digabungkan untuk membentuk gambar bagian langit tersebut. Tapi ingat, kita tidak hanya memiliki satu cermin untuk melihat bintang ini; kami memiliki 18 cermin, yang masing-masing awalnya dimiringkan ke bagian langit yang berbeda. Hasilnya, kami sebenarnya akan menangkap 18 salinan bintang yang sedikit bergeser – masing-masing tidak fokus dan terdistorsi secara unik. Kami menyebut salinan bintang awal ini sebagai “gambar segmen”. Faktanya, tergantung pada posisi awal cermin, mungkin diperlukan beberapa iterasi untuk menemukan semua 18 segmen dalam satu gambar.

Satu per satu, kami akan memindahkan 18 segmen cermin untuk menentukan segmen mana yang menghasilkan gambar segmen mana. Setelah mencocokkan segmen cermin dengan gambarnya masing-masing, kita dapat memiringkan cermin untuk membawa semua gambar mendekati titik yang sama untuk analisis lebih lanjut. Kami menyebut pengaturan ini sebagai “array gambar.”

2. Penyelarasan Segmen

Setelah kita memiliki larik gambar, kita dapat melakukan Perataan Segmen, yang mengoreksi sebagian besar kesalahan pemosisian besar segmen cermin.

Kita mulai dengan mendefokus gambar segmen dengan menggerakkan cermin sekunder sedikit. Analisis matematis, yang disebut Pengambilan Fase, diterapkan pada gambar yang tidak fokus untuk menentukan kesalahan posisi segmen yang tepat. Penyesuaian segmen kemudian menghasilkan 18 “teleskop” yang dikoreksi dengan baik. Namun, segmen masih tidak bekerja sama sebagai cermin tunggal.

(Kiri) Sebelum: Simulasi susunan gambar awal. (Kanan) Setelah: Array simulasi dari 18 segmen yang dikoreksi. Kredit: NASA

3. Penumpukan Gambar

Untuk menempatkan semua cahaya di satu tempat, setiap gambar segmen harus ditumpuk di atas satu sama lain. Pada langkah Penumpukan Gambar, kami memindahkan gambar segmen individu sehingga mereka jatuh tepat di tengah bidang untuk menghasilkan satu gambar terpadu. Proses ini mempersiapkan teleskop untuk Pentahapan Kasar.

Penumpukan dilakukan secara berurutan dalam tiga kelompok (A-segmen, B-segmen, dan C-segmen).

Simulasi penumpukan gambar. Panel pertama: Mosaik gambar awal. Panel kedua: Segmen-A ditumpuk. Panel ketiga: Segmen A dan B ditumpuk. Panel keempat: Segmen A-, B-, dan C ditumpuk. Kredit: NASA

4. Pentahapan Kasar

Meskipun Penumpukan Gambar menempatkan semua cahaya di satu tempat pada detektor, segmen-segmen tersebut masih berfungsi sebagai 18 teleskop kecil daripada satu teleskop besar. Segmen harus berbaris satu sama lain dengan akurasi lebih kecil dari panjang gelombang cahaya.

Dilakukan tiga kali selama proses commissioning, Pentahapan Kasar mengukur dan mengoreksi perpindahan vertikal (perbedaan piston) dari segmen cermin. Menggunakan teknologi yang dikenal sebagai Dispersed Fringe Sensing, kami menggunakan NIRCam untuk menangkap spektrum cahaya dari 20 pasangan segmen cermin yang terpisah. Spektrum akan berbeda mirip dengan pola tiang tukang cukur dengan kemiringan (atau sudut) yang ditentukan oleh piston dari dua segmen dalam pasangan.

Dalam simulasi ini, pola “Barber pole” dibuat oleh Disperse Fringe Sensor yang menunjukkan kesalahan piston besar (atas) atau kesalahan piston kecil (bawah). Kredit: NASA

5. Pentahapan Halus

Pentahapan Halus juga dilakukan tiga kali, langsung setelah setiap putaran Pentahapan Kasar, dan kemudian secara rutin sepanjang masa hidup Webb. Operasi ini mengukur dan memperbaiki kesalahan penyelarasan yang tersisa menggunakan metode pengaburan yang sama yang diterapkan selama Penyelarasan Segmen. Namun, alih-alih menggunakan cermin sekunder, kami menggunakan elemen optik khusus di dalam instrumen sains yang memperkenalkan jumlah pengaburan yang bervariasi untuk setiap gambar (gelombang pengaburan -8, -4, +4, dan +8).

Sebuah simulasi dari gambar defocused yang digunakan dalam Fine Phasing. Gambar (atas) menunjukkan pengaburan yang diperkenalkan ke teleskop yang hampir sejajar. Analisis (bawah) menunjukkan kesalahan yang terkait dengan setiap segmen teleskop. Segmen dengan warna yang sangat terang atau gelap membutuhkan koreksi yang lebih besar. Kredit: NASA

6. Penyelarasan Teleskop Di Atas Bidang Pandang Instrumen

Setelah Pentahapan Halus, teleskop akan disejajarkan dengan baik di satu tempat di bidang pandang NIRCam. Sekarang kita perlu memperluas keselarasan ke instrumen lainnya.

Dalam fase proses commissioning ini, kami melakukan pengukuran di beberapa lokasi, atau titik lapangan, di setiap instrumen sains, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Variasi intensitas yang lebih besar menunjukkan kesalahan yang lebih besar pada titik medan tersebut. Algoritme menghitung koreksi akhir yang diperlukan untuk mencapai teleskop yang selaras di semua instrumen sains.

Analisis simulasi koreksi Field of View. Kredit: NASA

7. Iterate Alignment untuk Koreksi Akhir

Setelah menerapkan koreksi Field of View, hal utama yang tersisa untuk diatasi adalah penghapusan kesalahan pemosisian residual kecil di segmen cermin utama. Kami mengukur dan melakukan koreksi menggunakan proses Fine Phasing. Kami akan melakukan pemeriksaan akhir terhadap kualitas gambar di setiap instrumen sains; setelah ini diverifikasi, proses penginderaan dan kontrol muka gelombang akan selesai.

Saat kita melewati tujuh langkah, kita mungkin menemukan bahwa kita perlu mengulangi langkah-langkah sebelumnya juga. Prosesnya fleksibel dan modular untuk memungkinkan iterasi. Setelah kira-kira tiga bulan menyelaraskan teleskop, kami akan siap untuk melanjutkan commissioning instrumen.”

Ditulis oleh Scott Acton, Webb memimpin penginderaan muka gelombang dan ilmuwan kontrol, Ball Aerospace; Chanda Walker, ilmuwan penginderaan dan kontrol muka gelombang Webb, Ball Aerospace; dan Lee Feinberg, manajer elemen teleskop optik Webb, Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA.