Od momentu wdrożenia, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został dostrojony przez ekspertów, aby zachować jego potężne możliwości optyczne, zapewniając szczegółowe obserwacje kosmiczne i solidne działanie dla przyszłych odkryć astronomicznych.
NASAKosmiczny Teleskop Jamesa Webba, największy i najpotężniejszy teleskop, jaki kiedykolwiek wysłano w przestrzeń kosmiczną, zawiera zwierciadło składające się z 18 pojedynczych sześciokątnych segmentów. Segmenty te są rozmieszczone tak precyzyjnie, że działają jak pojedynczy, masywny reflektor o długości 6,5 metra. Zestrojenie i konserwacja tego złożonego systemu wymaga ciągłej uwagi zespołu oddanych inżynierów i naukowców zajmujących się optyką. Dr Marcio B. Meléndez, główny specjalista zajmujący się optyką astronomiczną w firmie Webb w Uniwersytecie im Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznychdzieli się spostrzeżeniami na temat wyzwań związanych z ustawieniem luster Webba po wystrzeleniu oraz bieżącymi pracami mającymi na celu zapewnienie tego dokładność w całej działalności naukowej.
„Wkrótce po udanym wystrzeleniu i wdrożeniu Webba rozpoczął się skomplikowany proces ustawiania jego dużych złotych luster. Od początkowego rozmieszczenia 18 pojedynczych, nieogniskowanych segmentów, które właśnie poleciały w przestrzeń kosmiczną, do całkowicie dopasowanego systemu ograniczonego jedynie konstrukcją optyczną, minęły prawie trzy miesiące.
„Chociaż dokładne wyrównanie teleskopu ukończono na początku 2022 r. podczas oddania do użytku, nie ma takiej sytuacji w naturalny sposób ze względu na różne czynniki, takie jak wahania temperatury i tzw. przechylenia, dlatego wymagany jest program konserwacji trwający całe życie. Zespół czujników czoła fali odpowiedzialny za utrzymanie porządku zwierciadeł Webba monitoruje, bada, wyznacza trendy i czasami przesuwa swoje główne segmenty zwierciadeł podczas działań naukowych. Działania te są realizowane w Centrum Operacji Misji Webba, zlokalizowanym w Instytucie Naukowym Teleskopu Kosmicznego w Baltimore.
„Ten program monitorowania teleskopu składa się z serii obserwacji wykorzystujących specjalny sprzęt do wykrywania optycznego wewnątrz instrumentu kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam), z zestawem soczewek, które celowo rozmywają obrazy gwiazd o znaną wartość. Te rozogniskowane obrazy gwiazd zawierają mierzalne cechy, które umożliwiają zespołowi określenie ustawienia teleskopu za pomocą procesu zwanego odzyskiwaniem fazy w celu określenia tego, co nazywamy „błądem czoła fali”. Obserwacje monitorujące teleskop są obecnie zaplanowane co drugi dzień, przeplatane obserwacjami naukowymi Webba, z krótkim czasem trwania wynoszącym około 20 minut. Wszystkie obserwacje z monitoringu teleskopu są publicznie dostępne za pośrednictwem serwisu Archiwum MAST. Użytkownicy obserwatoriów i inni zainteresowani badacze mogą również przeglądać i modelować jakość optyczną za pomocą specjalistyczne narzędzia.
„Program konserwacji obejmuje również: „selfie” przy użyciu specjalistycznego obiektywu „obrazującego źrenice”, przeznaczonego do wykonywania zdjęć segmentów zwierciadlanych, a nie nieba, cztery razy w roku. Te obrazy źrenic służą do oceny stanu zwierciadeł głównych. Podczas każdej obserwacji zespół mierzy stabilność wskazywania Webba, czyli „jitter”, który pozostaje sześciokrotnie lepszy od wymagań projektowych. The FCzujnik naprowadzania służy do sterowania małym, sterowanym lusterkiem pokładowym, aby namierzał cel podczas poruszania się po orbicie, bez odchyleń większych niż grubość ludzkiego włosa, widzianego z odległości siedmiu mil (11 kilometrów).
„Ogólne parametry optyczne teleskopu są znacznie lepsze niż wymagania projektowe, co oznacza, że obserwacje są jeszcze bardziej czułe na słabe obiekty i lepiej wykrywają drobne szczegóły, niż oczekiwano. Wymagania optyczne dla Webba ustalono na 150 nanometrów błędu czoła fali, wynikającego z połączenia niemożliwych do skorygowania niedoskonałości figury powierzchni i możliwych do skorygowania niewspółosiowości teleskopu. Obecne błędy, których nie można skorygować, są bardzo niskie i wynoszą około 65 nanometrów. Program ustawiania teleskopu ma na celu osiągnięcie i utrzymanie tego stanu, a gdy zaobserwowane niewspółosiowości kumulują się powyżej wcześniej określonych kryteriów, sterowane są segmenty zwierciadła głównego i system jest ponownie ustawiany.
„Każdy segment zwierciadła głównego można przesuwać w sześciu „stopniach swobody”, co oznacza sześć różnych rodzajów ruchu. Zakrzywioną powierzchnię segmentu można również nieco zmienić, aby dostosować jego ogniskową. Zwierciadła teleskopu Webba utrzymują pasywne ustawienie dzięki stabilnemu wsparciu ze strony teleskopu konstrukcja płyty montażowej. Gdy Webb wskazuje różne miejsca na niebie, ciepło pochłaniane przez Słońce zmienia się, powodując niewielkie (0,1 kelwina) zmiany temperatury konstrukcji wsporczej, które powodują niewielkie ruchy fizyczne. Te drobne przemieszczenia powodują niewspółosiowość lusterek. To zniekształcenie jest bardzo małe i odpowiada jedynie za kilka nanometrów zmiany czoła fali. Oprócz tego występują nagłe przesunięcia w strukturze, które nazywamy zdarzeniami przechylania. Te wyraźne skoki nie odwracają się same, a nasze obecne rozumienie tych zdarzeń jest takie, że są one związane z niewielkimi, ale gwałtownymi uwolnieniami energii zmagazynowanej w konstrukcji wsporczej lustra.
„Wymagane były rzadsze aktualizacje sterowania zwierciadłem teleskopu niż co dwa tygodnie. W przypadku zaobserwowania niewspółosiowości teleskopu zespół teleskopu dokonuje korekty w ciągu 48 godzin, zgodnie z dobrze skoordynowaną procedurą między różnymi systemami lotu. W tym czasie tworzymy zestaw ruchów lustrzanych mających na celu ponowne wyrównanie segmentów. Ruchy te są przekształcane w polecenia, które są następnie przesyłane i wykonywane. Po zastosowaniu tych ruchów korygujących przeprowadzany jest nowy zestaw obserwacji w celu potwierdzenia ustawienia teleskopu. Od początku działalności naukowej zastosowaliśmy ponad 25 ruchów korekcyjnych. Szereg czasowy wszystkich pomiarów czoła fali i odpowiadających im przesunięć segmentów pokazano na rysunku 3. 3 października przeprowadzono korekcję lustra, po zapisie wynoszącym 186 dni od poprzedniej aktualizacji kontroli lustra.
„Dzięki rygorystycznemu ogólnemu programowi konserwacji w zakresie pomiarów i kontroli zespół Wavefront zapewnia, że wydajność optyczna Webba jest na najwyższym możliwym poziomie, co pozwala odkryć ukryte tajemnice wszechświata”.
O autorze: Dr Marcio B. Meléndez jest głównym naukowcem zajmującym się optyką astronomiczną w Instytucie Naukowym Teleskopów Kosmicznych. Jest członkiem zespołu ds. wykrywania czoła fali w oddziale teleskopów w STScI.
Ustawienie zwierciadeł Webba wymagało mniejszej liczby poprawek, niż oczekiwano, co dało więcej czasu na obserwacje naukowe i dostarczyło cennych spostrzeżeń dla przyszłych misji. Ta zmniejszona potrzeba regulacji sugeruje, że teleskop jest bardziej stabilny, niż oczekiwano, co jest krytycznym czynnikiem dla nadchodzących projektów, takich jak Przyszłe Obserwatorium Światów Mieszkalnych NASA. Obserwatorium to będzie pierwszym teleskopem kosmicznym zaprojektowanym specjalnie do poszukiwania oznak życia na planetach wielkości Ziemi wokół pobliskich gwiazd podobnych do Słońca, a jednocześnie do rozwiązywania szerszych problemów astrofizycznych w celu odkrycia tajemnic wszechświata.
