Команда начинает настройку космического телескопа Уэбба.

На этой неделе начался трехмесячный процесс юстировки телескопа, и в последний день члены команды Уэбба увидели первые фотоны звездного света, прошедшие через весь телескоп, и были обнаружены инструментом ближней инфракрасной камеры (NIRCam). Этот ориентир представляет собой первый из нескольких шагов, чтобы сначала сделать несфокусированные изображения и использовать их для медленной настройки телескопа. Это начало процесса, но первоначальные результаты пока соответствуют ожиданиям и моделированию.

Команда инженеров и ученых из Ball Aerospace, Научного института космического телескопа и[{» attribute=»»>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.

Скотт Актон и Чанда Уокер из Ball Aerospace вместе с Ли Файнбергом из NASA Goddard выполняют следующие основные шаги:

«После того, как зеркальные сегменты завершены, а инструменты развернуты, команда приступила к выполнению многих шагов, необходимых для настройки и калибровки телескопа, чтобы он выполнял свою работу. Работа с телескопом займет гораздо больше времени, чем с предыдущими космическими телескопами, потому что главное зеркало Уэбба изготовлено. из 18 отдельных частей зеркала, которые должны работать вместе как единая оптическая поверхность Высокое разрешение Этапы процесса ввода в эксплуатацию включают:

1. Определение сегментного изображения
2. выравнивание деталей
3. стопка фотографий
4. примерная фаза
5. точный прогрессивный
6. Совместите телескоп с полями обзора устройства.
7. Повторите выравнивание для окончательной коррекции

1. Определите сегментное изображение

Во-первых, нам нужно выровнять телескоп по отношению к космическому кораблю. Космический корабль способен совершать очень точные движения наведения, используя «звездные трекеры». Думайте о звездных трекерах как о GPS космического корабля. Изначально положение КА от звездных датчиков не совпадает с положением каждого из сегментов зеркала.

Мы наводим телескоп на яркую изолированную звезду (HD 84406), чтобы сделать серию изображений, которые сшиваются вместе, чтобы сформировать изображение этой части неба. Но помните, у нас есть не только одно зеркало, смотрящее на эту звезду; У нас есть 18 зеркал, каждое из которых изначально наклонено к разным частям неба. В результате мы получим 18 слегка измененных версий звезды, каждая из которых не в фокусе и уникально искажена. Мы называем эти усеянные звездами первичные изображения «разделенными изображениями». На самом деле, в зависимости от начального положения зеркал, может потребоваться несколько итераций для выбора всех 18 сегментов в одном изображении.

Смоделированный пример потенциальной первоначальной публикации с 18 изображениями в разрезе. кредит: НАСА

Один за другим мы будем перемещать 18 сегментов в обратном направлении, чтобы определить, какой сегмент создает изображение клипа. После сопоставления сегментов зеркал с соответствующими изображениями мы можем наклонить зеркала, чтобы приблизить все изображения к общей точке для дальнейшего анализа. Мы называем это расположение «матрицей изображения».

2. Выровняйте деталь

После того, как у нас есть матрица изображения, мы можем выполнить выравнивание секции, которое исправляет большинство больших ошибок позиционирования для зеркальных сегментов.

Мы начинаем с расфокусировки изображений КТ, слегка перемещая вторичное зеркало. Математический анализ, называемый восстановлением фазы, применяется к расфокусированным изображениям для определения точных ошибок позиционирования сегментов. В результате настройки клипа получается 18 хорошо скорректированных «телескопов». Однако клипы по-прежнему не работают вместе как единое зеркало.

(Слева) До: необработанная матрица изображений. (Справа) После: матрица моделирования из 18 скорректированных сегментов. кредит: НАСА

3. Наложение изображений

Чтобы поместить весь свет в одном месте, каждое изображение в разрезе должно быть наложено друг на друга. На этапе сборки изображений мы перемещаем отдельные КТ-изображения так, чтобы они лежали точно в центре поля, чтобы получить единое однородное изображение. Этот процесс подготавливает телескоп к грубым фазам.

Укладка производится последовательно в три группы (секции А, секции Б и секции С).

Симулятор наложения изображений. Первая панель: Мозаика необработанного изображения. Вторая панель: сложенные срезы А. Третья панель: сложенные сегменты A и B. Четвертая панель: секции A, B и C сложены. кредит: НАСА

4. Постепенное деление

Хотя наложение изображений накладывает весь свет на детектор в одном месте, клипы по-прежнему функционируют как 18 маленьких телескопов, а не как один большой телескоп. Секции должны совпадать друг с другом с точностью меньше длины волны света.

Выполняется три раза в процессе ввода в эксплуатацию, измеряет и корректирует вертикальное смещение (разность поршней) сегментов зеркала. Используя технологию, известную как Fringe Sensing, мы используем NIRCam для захвата спектров света от 20 отдельных пар зеркальных сегментов. Спектр будет напоминать рисунок стержня парикмахера с наклоном (или углом), определяемым разницей поршня между двумя частями муфты.

В этом моделировании датчик с рассеянными полосами генерирует узоры «парикмахерской», указывающие на большую ошибку поршня (вверху) или небольшую ошибку поршня (внизу). кредит: НАСА

5. Точный прогрессивный

Микростадирование также выполняется трижды, сразу после каждого раунда грубой постановки, а затем регулярно на протяжении всей жизни Уэбба. Эти процессы измеряют и исправляют остаточные ошибки выравнивания, используя тот же метод расфокусировки, что и при выравнивании сегментов. Однако вместо вторичного зеркала мы используем в научном приборе специальные оптические элементы, обеспечивающие разную степень расфокусировки для каждого изображения (-8, -4, +4, +8 волны расфокусировки).

Моделирование несфокусированных изображений, используемых при точном масштабировании. Изображения (выше) показывают расфокусировку, представленную в приблизительно выровненный телескоп. Анализ (внизу) указывает на ошибки, связанные с каждым сегментом телескопа. Ярко окрашенные или более темные участки нуждаются в большей коррекции. кредит: НАСА

6. Выровняйте зрительную трубу над полем зрения инструментов.

После точного градиента телескоп будет хорошо выровнен в одном месте в поле зрения NIRCam. Теперь нам нужно распространить выравнивание на остальные инструменты.

На этом этапе процесса ввода в эксплуатацию мы проводим измерения в нескольких местах или полевых точках на каждом из научных приборов, как описано ниже. Большее изменение интенсивности указывает на большие ошибки в этой точке поля. Алгоритм вычисляет окончательные поправки, необходимые для достижения хорошей настройки телескопа на всех научных инструментах.

Анализ моделирования для коррекции поля зрения. кредит: НАСА

7. Повторите выравнивание для окончательной коррекции.

После применения коррекции поля зрения, главное, что остается сделать, это устранить любые небольшие ошибки, оставшиеся в позиционировании в сегментах главного зеркала. Мы измеряем и вносим исправления, используя тщательный процесс постановки. Мы проведем окончательную проверку качества изображения с помощью обоих научных инструментов; Как только это будет подтверждено, процесс измерения и контроля волнового фронта будет завершен.

Проходя семь шагов, мы можем обнаружить, что нам нужно повторить и предыдущие шаги. Процесс является гибким и модульным, чтобы обеспечить возможность повторения. Примерно через три месяца после настройки телескопа мы будем готовы приступить к работе с инструментами».

Написано Скоттом Эктоном, ведущим научным сотрудником по датчикам волнового фронта и управлению в Ball Aerospace; Чанда Уокер, веб-ученый в области обнаружения волнового фронта и управления им, Ball Aerospace; и Ли Файнберг, директор Элементов оптического телескопа Уэбба, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.