Четкое изображение NIRCam на расстоянии 2,12 микрометра показано слева. На средней и правой панелях показаны изображения NIRCam в двух разных намеренно расфокусированных положениях, которые использовались во время программы мониторинга телескопа, чтобы выявить особенности, используемые для оценки выравнивания телескопа. Фото предоставлено: НАСА
Космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба — самый большой и мощный телескоп, когда-либо запущенный в космос. Его зеркало состоит из 18 отдельных сегментов, которые выровнены настолько точно, что по сути функционируют как один гигантский отражатель (21,6 фута или 6,5 метра).
Процесс настройки каждого из этих отдельно функционирующих сегментов шестиугольного зеркала требует постоянного контроля со стороны специальной группы инженеров и ученых-оптиков.
У НАСА есть доктор. Марсио Б. Мелендес, старший научный сотрудник Уэбба в области астрономической оптики в Научном институте космического телескопа и член группы обнаружения волнового фронта в отделе телескопов STScI, был приглашен рассказать нам больше о проблемах юстировки телескопа после запуска, что необходимое для того, чтобы это произошло, остается таким и в научных операциях.
«Вскоре после успешного запуска и развертывания системы Webb начался сложный процесс выравнивания ее больших золотых зеркал. Потребовалось почти три месяца, чтобы создать полностью согласованную систему из первоначальных развертываний 18 отдельных несфокусированных сегментов, которые только что полетели в космос, ограниченную только оптической схемой.
«Хотя точная настройка телескопа была завершена во время ввода в эксплуатацию в начале 2022 года, ситуация естественным образом не сохраняется из-за различных факторов, таких как колебания температуры и так называемые события «наклона», требующие программы технического обслуживания на протяжении всей жизни».
«Команда обнаружения волнового фронта, ответственная за поддержание зеркал Уэбба в порядке, контролировала, исследовала, определяла тенденции и время от времени перемещала сегменты главного зеркала во время научных операций. Эта деятельность осуществляется из Центра управления полетами Уэбба, расположенного в Научном институте космического телескопа в Балтиморе.
«Эта программа мониторинга телескопа состоит из серии наблюдений с использованием специальных оптических датчиков внутри камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) с рядом линз, которые намеренно дефокусируют изображения звезд на известную величину. Эти расфокусированные созвездия содержат измеримые характеристики, которые позволяют команде определить ориентацию телескопа, используя процесс, называемый восстановлением фазы, для определения так называемой «ошибки волнового фронта».
«Мониторинговые наблюдения телескопа в настоящее время запланированы через день, чередуясь между научными наблюдениями Уэбба, с короткими продолжительностью около 20 минут. Все мониторинговые наблюдения телескопа общедоступны через архив MAST. Пользователи обсерваторий и другие заинтересованные исследователи также могут просматривать наблюдения и моделировать оптическое качество с помощью специализированных инструментов.
Ошибка волнового фронта космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА варьируется из-за небольших корректируемых смещений зеркал, как показано зелеными стрелками вниз. Более низкие значения ошибки волнового фронта указывают на лучшую производительность визуализации. Показанные большие отклонения вызваны внезапными так называемыми «событиями опрокидывания» в одном или нескольких сегментах. После коррекции, как показано зеленым, телескоп возвращается в наилучшее возможное положение. Коррекция зеркала была выполнена 3 октября, спустя рекордные 186 дней с момента последнего обновления управления зеркалами. Фото предоставлено: НАСА
«В рамках программы технического обслуживания четыре раза в год также делается «селфи» с использованием специального «объектива зрачкового изображения», предназначенного для захвата изображений сегментов зеркала, а не неба. Эти изображения зрачков используются для оценки здоровья основного организма».
«При каждом наблюдении команда измеряет стабильность выравнивания Уэбба, или «дрожание», которое в шесть раз превышает проектные требования. Датчик точного наведения используется для подачи команды небольшому управляемому бортовому зеркалу на обнаружение цели во время движения по орбите. не отклоняясь более чем на толщину человеческого волоса, видно на расстоянии 11 километров.
«Общие оптические характеристики телескопа намного лучше, чем проектные требования, а это означает, что наблюдения еще более чувствительны к слабым объектам и обнаруживают более мелкие детали лучше, чем ожидалось».
«Оптические требования для Уэбба были установлены на погрешности волнового фронта в 150 нанометров, что является результатом сочетания неисправимых ошибок поверхности и корректируемых отклонений телескопа. Текущие неисправимые ошибки очень малы и составляют около 65 нанометров».
«Программа юстировки телескопа направлена на достижение и поддержание этого, и когда наблюдаемые отклонения выходят за пределы заранее определенных критериев, сегменты главного зеркала контролируются и система перенастраивается».
«Каждый сегмент главного зеркала можно перемещать по шести «степеням свободы», то есть по шести различным типам движения. Изогнутую поверхность сегмента также можно слегка изменить, чтобы отрегулировать его фокусное расстояние. Зеркала телескопа Уэбба поддерживают пассивное выравнивание благодаря стабильной опоре». Когда Уэбб указывает на разные места на небе, тепло, поглощаемое Солнцем, меняется, что приводит к небольшим (0,1 К) изменениям температуры на опорной конструкции, небольшим физическим движениям Триггера.
«Эти крошечные сдвиги вызывают смещение зеркал. Это искажение очень мало и объясняет изменение волнового фронта всего на несколько нанометров. Кроме того, в структуре происходят внезапные сдвиги, которые мы называем переломными событиями. Эти отчетливые скачки не обращаются вспять, и, согласно нашему нынешнему пониманию этих событий, они связаны с небольшими, но резкими выбросами энергии, которая хранилась в опорной структуре зеркала.
«Обновления управления зеркалом телескопа приходилось делать реже, чем каждые две недели. Если будет обнаружено смещение телескопа, команда телескопа внесет корректировку в течение 48 часов после хорошо скоординированного процесса между различными системами полета. За это время мы создаем серию зеркальных движений, предназначенных для выравнивания сегментов. Эти движения преобразуются в команды, которые затем загружаются и выполняются.
«После применения этих корректирующих движений будет проведена новая серия наблюдений для подтверждения выравнивания телескопа. С момента начала научных работ мы применили более 25 корректирующих движений. Временной ряд всех измерений волнового фронта и смещений соответствующих сегментов: «Как показано на видео ниже, коррекция зеркала была выполнена 3 октября, после рекордных 186 дней с момента последнего обновления управления зеркалом.
«Благодаря строгой общей программе технического обслуживания измерений и контроля команда Wavefront гарантирует, что оптические характеристики Уэбба находятся на максимально возможном уровне, что позволяет раскрыть скрытые тайны Вселенной».
Тот факт, что выравнивание зеркала Уэбба потребовало меньше корректировок, чем ожидалось, не только дает больше времени для наблюдений для проведения научных исследований Уэбба, но также дает важную информацию для будущих миссий.
Меньшее количество регулировок предполагает лучшую стабильность телескопа, чем ожидалось, что будет иметь решающее значение для таких миссий, как будущая Обсерватория обитаемых миров НАСА. Обсерватория обитаемых миров станет первым космическим телескопом, предназначенным для поиска жизни, какой мы ее знаем, на планетах размером с Землю вокруг близлежащих звезд, подобных Солнцу, а также для изучения многих более широких вопросов преобразующей астрофизики, которые откроют тайны Вселенной.
