Treinta días fuera de la Tierra, el Telescopio espacial James Webb entrará en su órbita de estacionamiento a casi un millón de millas de la Tierra el lunes, un lugar ideal para escanear los cielos en busca de la tenue luz infrarroja del primera generacion de estrellas y galaxias.
Pero llegar allí, y implementando con éxito una sombrilla gigante, espejos y otros accesorios en el camino, fue solo la mitad de la diversión.
Los científicos e ingenieros ahora tienen que convertir el Webb de $ 10 mil millones en un telescopio funcional, alineando con precisión sus 18 segmentos de espejo primario para que funcionen juntos como un solo espejo de 21.3 pies de ancho, con mucho, el más grande jamás lanzado.
A principios de esta semana, los ingenieros completaron de forma remota un proceso de varios días para elevar cada segmento y el espejo secundario de 2,4 pies de ancho del telescopio, a media pulgada de los bloqueos de lanzamiento que los mantuvieron firmemente en su lugar durante la operación del observatorio. Ascenso al espacio el día de Navidad sobre un cohete europeo Ariane 5.
Ahora completamente desplegados, los 18 segmentos actualmente están alineados dentro de un milímetro más o menos. Para que el telescopio logre un enfoque nítido, esa alineación debe ajustarse con precisión dentro de 1/10,000 del ancho de un cabello humano usando múltiples actuadores para inclinar e incluso cambiar la forma de un segmento si es necesario.
“Nuestro espejo primario está segmentado, y esos segmentos deben alinearse con una fracción de longitud de onda de luz”, dijo Lee Feinberg, gerente de elementos del telescopio óptico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. “No estamos hablando de micras, estamos hablando de una fracción de longitud de onda. Eso es lo complicado de Webb”.
Lo suficientemente potente como para detectar el calor de un abejorro tan lejos como la luna
Una vez alineado y sus instrumentos calibrados, Webb será 100 veces más potente que Hubble, dice la NASA, tan sensible a la luz infrarroja que podría detectar el leve calor de un abejorro tan lejos como la luna.
Cada segmento del espejo se molió según una receta que tiene en cuenta los efectos deformantes de la gravedad en la Tierra y su contracción esperada en las temperaturas ultrabajas del espacio. Fueron calculados con tanta precisión que si uno fuera ampliado al tamaño de los Estados Unidos, las Montañas Rocosas de 14,000 pies de altura tendrían menos de 2 pulgadas de alto.
Pero si Webb apuntara a una estrella brillante hoy, el resultado serían 18 imágenes separadas “y se verán terribles, se verán muy borrosas”, dijo Feinberg en una entrevista, “porque los segmentos del espejo primario aún no están alineados”.
Ese es el próximo gran obstáculo para el equipo de Webb, mapear y luego inclinar cada segmento en pequeños incrementos, fusionando esas 18 imágenes para formar un único punto de luz exactamente enfocado. Es un proceso iterativo de varios pasos que se espera que tarde varios meses en completarse.
Pero primero, el telescopio debe ponerse en órbita alrededor del Punto 2 de Lagrange, a 930 000 millas de la Tierra, donde la gravedad del sol y la Tierra se combinan para formar una bolsa de estabilidad que permite que la nave espacial permanezca en su lugar con un gasto mínimo de combustible.
También es un punto en el que la sombrilla de Webb, del tamaño de una cancha de tenis, puede funcionar al máximo, bloqueando el calor del sol, la Tierra, la luna e incluso el polvo interplanetario caliente que, de lo contrario, inundaría los sensibles detectores infrarrojos del telescopio.
A partir del sábado, los segmentos del espejo se habían enfriado a alrededor de -340 Fahrenheit, en camino a una temperatura operativa de alrededor de -390, o menos de 40 grados por encima del cero absoluto.
Mientras continúa el proceso de enfriamiento, el lunes a las 2 p. m. EST se planea un disparo de propulsor de corrección de rumbo de 4 minutos y 58 segundos para cambiar la velocidad de la nave espacial en 3.4 mph, lo suficiente como para ponerla en una órbita distante alrededor del Punto 2 de Lagrange.
Si todo sale bien, el telescopio permanecerá en esa órbita de seis meses por el resto de su vida operativa, disparando su propulsor periódicamente para permanecer en la estación.
Preparándose para capturar “imágenes ‘wow'”
Con la inserción de la órbita quemada detrás de ellos, los ingenieros seguirán adelante con la alineación del espejo, uno de los aspectos más complejos de Webb. despliegue complicado.
Cada segmento de espejo primario hexagonal de 4,3 pies de ancho presenta seis actuadores mecánicos en una disposición de “hexápodo” en la parte posterior, lo que permite el movimiento en seis direcciones. Un séptimo actuador puede empujar o tirar del centro de un segmento para distorsionar ligeramente su curvatura si es necesario.
Después de que la cámara de infrarrojo cercano de Webb, o NIRCam, se enfríe a su temperatura de funcionamiento, Webb apuntará a una estrella brillante para que el instrumento pueda trazar los reflejos de los 18 segmentos, creando un mosaico que muestre su tamaño y posición relativos.
Luego, los segmentos del espejo se ajustarán uno a la vez, usando un actuador y luego otro, para apuntar correctamente cada uno. Se realizarán mosaicos adicionales a medida que continúe el proceso y, dependiendo de los resultados, es posible que se deba repetir el proceso de alineación.
“Lo más importante es hacer que los 18 segmentos del espejo primario apunten de manera similar para que sus imágenes tengan aproximadamente el mismo tamaño”, dijo Feinberg. “Algunos de ellos pueden estar muy desenfocados y, por lo tanto, es posible que obtenga una gran mancha (imagen de estrella borrosa) en el segmento 5 y una pequeña mancha en el segmento 3”.
El objetivo es inclinar los segmentos según sea necesario para minimizar el tamaño de las imágenes desenfocadas y luego mover los múltiples reflejos al mismo punto en el centro del eje óptico del telescopio, todos ellos apilados uno encima del otro para producir un solo haz de luz nítidamente enfocado.
“En el nivel más alto, piense en ello como 18 telescopios separados alineados aproximadamente al mismo nivel”, dijo Feinberg. “Y luego superpondremos 18 puntos uno encima del otro. A eso lo llamamos apilamiento de imágenes. Es un proceso de inclinación de los segmentos del espejo primario para que las imágenes caigan una encima de la otra”.
La clave, dijo, es que “realmente se necesita un muy buen control de esos actuadores, inclinaciones muy precisas, porque necesitamos que estos 18 puntos se superpongan muy bien”.
Cualquier segmento dado puede perder uno de sus seis actuadores de inclinación sin impacto. Incluso la pérdida de un actuador central puede compensarse hasta cierto punto moviendo el segmento ligeramente hacia arriba o hacia abajo.
Pero las pruebas exhaustivas sobre el terreno demostraron que los actuadores de alta tecnología son extremadamente fiables. Los procedimientos se probaron antes del lanzamiento utilizando un modelo a escala inferior del telescopio y Feinberg dijo que confía en que el proceso de alineación funcionará según lo planeado.
“¿Cuándo tendremos una imagen de una estrella en fase? Creo que será en algún momento de marzo, tal vez a fines de marzo”, dijo.
“Pero luego la siguiente pregunta es, ¿cuándo tendremos el telescopio completamente alineado, incluido el espejo secundario, optimizado para los cuatro instrumentos? El plan original nos tenía logrando eso después de cuatro meses completos de la misión. Así que eso sería como el final de abril.”
Eso todavía no será suficiente para que comiencen las observaciones científicas.
Una vez que el sistema óptico esté alineado, el equipo se centrará en probar y calibrar NIRCam, una combinación de cámara y espectrógrafo, y los otros tres instrumentos espectrográficos del telescopio, uno de los cuales incluye el sensor de guía preciso necesario para mantener a Webb fijo en el objetivo.
Ese proceso tardará otros dos meses más o menos en completarse. Solo entonces se darán a conocer al público las imágenes enfocadas de la “primera luz”.
“Queremos asegurarnos de que las primeras imágenes que vea el mundo, que vea la humanidad, hagan justicia a este telescopio de 10.000 millones de dólares y no sean las de una estrella”, dijo Jane Rigby, científica del proyecto de operaciones de Webb. en Godard.
“Así que estamos planeando una serie de imágenes ‘wow’ que se publicarán al final de la puesta en marcha cuando comencemos las operaciones científicas normales que están diseñadas para mostrar lo que este telescopio puede hacer… y realmente dejar boquiabiertos a todos”.
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