Tento týždeň sa začal trojmesačný proces zarovnávania teleskopu – a počas posledného dňa členovia Webb tímu videli prvé fotóny hviezdneho svetla, ktoré prešli celým teleskopom a boli detekované prístrojom Near Infrared Camera (NIRCam). Tento míľnik predstavuje prvý z mnohých krokov k zachyteniu záberov, ktoré sú spočiatku rozostrené, a pomocou nich pomaly dolaďujete ďalekohľad. Toto je úplný začiatok procesu, ale zatiaľ prvé výsledky zodpovedajú očakávaniam a simuláciám.

Tím inžinierov a vedcov z Ball Aerospace, Space Telescope Science Institute a[{“ 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.

Scott Acton a Chanda Walker z Ball Aerospace spolu s Lee Feinbergom z NASA Goddard prechádzajú základnými krokmi nižšie:

„Po dokončení rozmiestnenia zrkadlových segmentov a zapnutých prístrojov tím začal s početnými krokmi potrebnými na prípravu a kalibráciu teleskopu, aby mohol vykonávať svoju prácu. Proces uvedenia teleskopu do prevádzky bude trvať oveľa dlhšie ako predchádzajúce vesmírne teleskopy, pretože Webbovo primárne zrkadlo pozostáva z 18 jednotlivých zrkadlových segmentov, ktoré musia spolupracovať ako jeden vysoko presný optický povrch. Kroky v procese uvedenia do prevádzky zahŕňajú:

1. Identifikácia obrázka segmentu
2. Zarovnanie segmentov
3. Stohovanie obrázkov
4. Hrubé fázovanie
5. Jemné fázovanie
6. Zarovnanie ďalekohľadu nad zornými poľami prístroja
7. Opakujte zarovnanie pre konečnú opravu

1. Identifikácia obrázka segmentu

Najprv musíme zarovnať ďalekohľad vzhľadom na kozmickú loď. Kozmická loď je schopná vykonávať mimoriadne presné ukazovacie pohyby pomocou „sledovačov hviezd“. Predstavte si sledovače hviezd ako GPS pre kozmické lode. Najprv sa poloha kozmickej lode zo sledovačov hviezd nezhoduje s polohou každého zo segmentov zrkadla.

Nasmerujeme ďalekohľad na jasnú, izolovanú hviezdu (HD 84406), aby sme zachytili sériu obrázkov, ktoré sa potom spoja, aby vytvorili obraz danej časti oblohy. Ale pamätajte, nemáme len jedno zrkadlo, ktoré sa pozerá na túto hviezdu; máme 18 zrkadiel, z ktorých každé je na začiatku naklonené k inej časti oblohy. Výsledkom je, že v skutočnosti zachytíme 18 mierne posunutých kópií hviezdy – každá je rozostrená a jedinečne skreslená. Tieto počiatočné hviezdne kópie označujeme ako „segmentové obrázky“. V skutočnosti, v závislosti od počiatočných polôh zrkadiel, môže lokalizácia všetkých 18 segmentov na jednom obrázku trvať niekoľko iterácií.

Simulovaný príklad možného počiatočného nasadenia zobrazujúci obrázky 18 segmentov. Poďakovanie: NASA

Jeden po druhom presunieme 18 zrkadlových segmentov, aby sme určili, ktorý segment vytvára ktorý segmentový obraz. Po priradení zrkadlových segmentov k ich príslušným obrázkom môžeme zrkadlá nakloniť, aby sa všetky obrázky priblížili k spoločnému bodu na ďalšiu analýzu. Toto usporiadanie nazývame „pole obrázkov“.

2. Zarovnanie segmentov

Keď máme obrazové pole, môžeme vykonať zarovnanie segmentov, ktoré opraví väčšinu veľkých chýb polohovania zrkadlových segmentov.

Začneme rozostrením obrazov segmentov miernym posunutím sekundárneho zrkadla. Matematická analýza, nazývaná Phase Retrieval, sa aplikuje na rozostrené snímky, aby sa určili presné polohovacie chyby segmentov. Úpravy segmentov potom vedú k 18 dobre opraveným „teleskopom“. Segmenty však stále nefungujú spolu ako jedno zrkadlo.

(vľavo) Pred: Simulované počiatočné pole obrázkov. (Vpravo) Po: Simulované pole 18 opravených segmentov. Poďakovanie: NASA

3. Stohovanie obrázkov

Ak chcete umiestniť všetko svetlo na jedno miesto, každý segmentový obraz musí byť naskladaný jeden na druhý. V kroku Stohovanie obrázkov posúvame jednotlivé obrázky segmentov tak, aby padali presne do stredu poľa a vytvorili tak jeden zjednotený obrázok. Tento proces pripraví teleskop na hrubé fázovanie.

Stohovanie sa vykonáva postupne v troch skupinách (A-segmenty, B-segmenty a C-segmenty).

Simulácia stohovania obrázkov. Prvý panel: Počiatočná obrazová mozaika. Druhý panel: A-segmenty naskladané. Tretí panel: A- a B-segmenty na sebe. Štvrtý panel: A-, B- a C-segmenty na sebe. Poďakovanie: NASA

4. Hrubé fázovanie

Hoci Image Stacking umiestňuje všetko svetlo na jedno miesto na detektore, segmenty stále fungujú ako 18 malých ďalekohľadov a nie ako jeden veľký. Segmenty musia byť navzájom zoradené s presnosťou menšou ako je vlnová dĺžka svetla.

Hrubé fázovanie, ktoré sa vykonáva trikrát počas procesu uvádzania do prevádzky, meria a koriguje vertikálne posunutie (rozdiel piestov) segmentov zrkadla. Pomocou technológie známej ako Dispersed Fringe Sensing používame NIRCam na zachytenie svetelných spektier z 20 samostatných párov zrkadlových segmentov. Spektrum sa bude líšiť podobne ako vzor holičských palíc so sklonom (alebo uhlom) určeným piestom dvoch segmentov v páre.

V tejto simulácii sú vzory „Barber pole“ vytvorené senzorom disperzného okraja, ktorý indikuje veľkú chybu piesta (hore) alebo malú chybu piesta (dole). Poďakovanie: NASA

5. Jemné fázovanie

Jemné fázovanie sa tiež vykonáva trikrát, priamo po každom kole hrubého fázovania a potom rutinne počas celej životnosti Webba. Tieto operácie merajú a opravujú zostávajúce chyby zarovnania pomocou rovnakej metódy rozostrenia aplikovanej počas zarovnania segmentov. Avšak namiesto použitia sekundárneho zrkadla používame vo vedeckom prístroji špeciálne optické prvky, ktoré zavádzajú rôzne množstvá rozostrenia pre každý obrázok (-8, -4, +4 a +8 vlny rozostrenia).

Simulácia rozostrených obrázkov používaných v Fine Phasing. Obrázky (hore) ukazujú rozostrenie zavedené na takmer vyrovnaný ďalekohľad. Analýza (dole) ukazuje chyby spojené s každým segmentom ďalekohľadu. Segmenty s veľmi jasnými alebo tmavými farbami vyžadujú väčšie opravy. Poďakovanie: NASA

6. Zarovnanie ďalekohľadu nad zornými poľami prístroja

Po jemnom fázovaní bude ďalekohľad dobre zarovnaný na jednom mieste v zornom poli NIRCam. Teraz musíme rozšíriť zarovnanie na ostatné nástroje.

V tejto fáze procesu uvádzania do prevádzky vykonávame merania na viacerých miestach alebo bodoch v teréne naprieč každým z vedeckých prístrojov, ako je znázornené nižšie. Väčšia zmena intenzity naznačuje väčšie chyby v tomto bode poľa. Algoritmus vypočíta konečné korekcie potrebné na dosiahnutie dobre nastaveného teleskopu naprieč všetkými vedeckými prístrojmi.

Simulovaná analýza korekcie zorného poľa. Poďakovanie: NASA

7. Opakujte zarovnanie pre konečnú opravu

Po aplikácii korekcie zorného poľa je kľúčovou vecou, ​​ktorú treba vyriešiť, odstránenie akýchkoľvek malých zvyškových chýb polohovania v segmentoch primárneho zrkadla. Meriame a robíme korekcie pomocou procesu Fine Phasing. Urobíme konečnú kontrolu kvality obrazu na každom z vedeckých prístrojov; akonáhle sa to overí, proces snímania a kontroly čela vlny bude dokončený.

Keď prejdeme cez sedem krokov, možno zistíme, že musíme zopakovať aj predchádzajúce kroky. Proces je flexibilný a modulárny, čo umožňuje opakovanie. Po približne troch mesiacoch zarovnávania ďalekohľadu budeme pripravení pristúpiť k uvedeniu prístrojov do prevádzky.“

Napísal Scott Acton, Webb vedúci vedec v oblasti snímania a kontroly čela vlny, Ball Aerospace; Chanda Walker, vedkyňa v oblasti snímania a kontroly Webb wavefront, Ball Aerospace; a Lee Feinberg, manažér prvkov optického teleskopu Webb, Goddard Space Flight Center NASA.