El Telescopio Espacial James Webb, en tan solo unos meses de funcionamiento, ha comenzado a cambiar nuestra visión del universo. Sus imágenes, más detalladas de lo que era posible antes, muestran el espacio resplandeciente de galaxias, algunas de ellas formadas muy poco después del Big Bang.
Nada de esto sería posible sin el trabajo de un equipo dirigido por Scott Acton, científico líder en control y detección de frente de onda para Webb en Ball Aerospace & Technologies en Colorado. Él y sus colegas desarrollaron los sistemas que alinean los 18 segmentos separados del espejo principal del Webb con su espejo secundario más pequeño y los instrumentos científicos. Para producir imágenes claras en las longitudes de onda infrarrojas que utiliza el telescopio, los segmentos deben estar dentro de las decenas de nanómetros de la forma especificada en el diseño de la nave espacial.
Acton creció en Wyoming y pasó más de 20 años en el equipo de Webb. Espectro IEEE habló con Acton después de que su equipo terminó de alinear la óptica del telescopio en el espacio. Esta transcripción ha sido editada para mayor claridad y brevedad.
Cuenta tu historia. ¿Qué te hizo empezar?
Scott Acton: Cuando tenía siete años, mi papá trajo a casa un televisor nuevo. Y me dio el viejo televisor para desmontarlo. Estaba cautivado por lo que vi dentro de este televisor. Y a partir de ese momento me definió la electrónica. Miras dentro de un televisor viejo y hay mecanismos, hay olores y colores y vistas y para un niño de siete años, fue la cosa más increíble que jamás había visto.
Avance rápido 25 años y estoy trabajando en el campo de la óptica adaptativa. Y finalmente eso condujo a la detección y los controles de frente de onda, que condujeron al telescopio Webb.
Llamada Cosmic Cliffs, la imagen aparentemente tridimensional de Webb parece montañas escarpadas en una noche iluminada por la luna. En realidad, es el borde de la cavidad gaseosa gigante dentro de NGC 3324, y los “picos” más altos en esta imagen tienen unos 7 años luz de altura. NASA/ESA/CSA/STScI
Hable acerca de su trabajo al preparar el telescopio para el vuelo. Trabajaste en él durante más de 20 años.
Actón: Bueno, tuvimos que inventar todos los controles y sensores de frente de onda. Ninguna de esa tecnología existía realmente en 2001, así que comenzamos desde cero con conceptos y experimentos simples. Luego, experimentos más complicados, muy complicados y, finalmente, algo conocido como tecnología TRL 6 (Nivel de preparación tecnológica 6), que demostró que podíamos hacer esto en un entorno similar a un vuelo. Y luego fue una cuestión de tomar esta tecnología, algoritmos, comprenderlos e implementarlos en procedimientos, documentación y software muy sólidos, para que luego pudieran aplicarse en el telescopio de vuelo.
¿Cómo fue finalmente el lanzamiento?
Actón: Bueno, tengo que decir que había mucho nerviosismo, al menos de mi parte. Estaba pensando que teníamos un 70 por ciento de posibilidades de éxito en la misión, o algo así. Es como enviar a su hijo a la universidad: este instrumento que habíamos estado mirando y pensando.
El vehículo Ariane 5 es muy fiable. No pensé que iba a haber ningún problema con eso, pero la implementación comienza, básicamente, minutos después del lanzamiento. Entonces, para mí, el lugar para estar era en una consola de computadora [at the Space Telescope Science Institute in Baltimore].
Y luego había un montón de cosas que tenían que funcionar.
Actón: Si claro. Pero hay algunas cosas que son interesantes. Tienen estas cosas llamadas actuadores no explosivos. [used to secure the spacecraft during launch]. Hay alrededor de 130 de ellos. Y en realidad no puedes probarlos. Los construyes y se usan, básicamente, una vez. Si reutiliza uno, bueno, ahora es un actuador diferente porque tiene que volver a soldarlo. Así que no puedes calificar la parte, pero lo que puedes hacer es calificar el proceso.
Todavía podríamos haber tenido una misión si algunos no dispararan, pero la mayoría de ellos eran absolutamente necesarios para el éxito de la misión. Así que solo pregúntese, supongamos que desea tener un 95 por ciento de posibilidades de éxito. ¿Qué número elevado a la potencia 130 es igual a 0,95? Ese número es básicamente uno. Estas cosas tenían que ser perfectas.
Recuerdo caminar a casa una noche, hablar por teléfono con mi esposa, Heidi, y decirle: “Si me equivoco en esto, simplemente arruiné completamente el telescopio”. Ella dijo: “Scott, por eso estás ahí”. Esa era su forma de decirme que me animara. La responsabilidad tenía que recaer en alguien y en ese momento era yo.
Creo que la percepción pública fue que el Webb estaba en muy buena forma y que la configuración durante el vuelo salió muy bien. ¿Dirías que eso es exacto?
Actón: Al principio de la misión hubo contratiempos, pero aparte de eso, diría que las cosas simplemente superaron nuestras expectativas más salvajes. Parte de eso se debe al hecho de que mi equipo y yo habíamos encargado el telescopio 100 veces en simulaciones. Y siempre lo hicimos un poco más difícil. Creo que nos sirvió bien porque cuando llegamos al telescopio real, era bastante robusto. Simplemente funcionó.
Cuéntenos el proceso de alineación del telescopio.
Actón: La primera imagen que obtuvimos del telescopio fue el 2 de febrero, en medio de la noche. La mayoría de la gente se había ido a casa, pero yo estaba allí y muchas otras personas también. Simplemente apuntamos el telescopio a la Gran Nube de Magallanes, que tiene montones, montones de estrellas, y tomamos imágenes en las cámaras de infrarrojo cercano. La gente estaba muy feliz de ver estas imágenes porque básicamente buscaban asegurarse de que los instrumentos científicos funcionaran.
Pero algunos de nosotros estábamos realmente preocupados con esa imagen, porque se podía ver un astigmatismo muy significativo, más fuerte de lo que esperábamos ver en nuestras simulaciones. Más tarde nos enteraríamos de que el espejo secundario del telescopio estaba desviado en la traslación: alrededor de 1,5 milímetros a lo largo del eje de despliegue y alrededor de un milímetro en el otro eje. Y los segmentos del espejo primario fueron cronometrados un poco desde el estado perfectamente alineado.
Lee Feinberg, el líder del telescopio en NASA Goddard, me envió un mensaje de texto y me dijo: “Scott, ¿por qué no puedes simplemente simular esto para ver si puedes obtener algunas imágenes tan malas?” Así que esa mañana realicé una simulación y pude reproducir casi exactamente lo que estábamos viendo en estas imágenes. Nos dimos cuenta de que no íbamos a tener mayores problemas con el frente de onda.
Describa la cadencia de su trabajo durante la puesta en marcha. ¿Cómo sería un día?
Actón: Una de las reglas que establecimos desde el principio fue que, en términos de detección y control de frente de onda, siempre tendríamos dos personas sentadas frente a las computadoras en un momento dado. Cada vez que sucedía algo significativo, siempre quería asegurarme de estar allí, así que conseguí un apartamento. [near the institute in Baltimore]. Desde mi puerta hasta la puerta del Centro de Operaciones de la Misión había una caminata de 7 minutos.
En esta imagen de mosaico que se extiende a lo largo de 340 años luz, la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam) muestra la región de formación de estrellas de la Nebulosa de la Tarántula bajo una nueva luz, incluidas decenas de miles de estrellas jóvenes nunca antes vistas que anteriormente estaban envueltas en un velo cósmico. polvo.Equipo de producción de NASA/ESA/CSA/STScI/Webb ERO
Ciertamente hubo momentos durante el proceso en los que tuvo un factor de arrugas muy grande, por así decirlo. No pudimos apuntar el telescopio de manera confiable desde el principio. Y gran parte de nuestro software, para los primeros pasos de la puesta en marcha, dependía de la inmutabilidad de la orientación del telescopio. Queríamos que el telescopio apuntara repetidamente dentro de un par de segundos de arco y estaba más cerca de 20 o 30. Debido a eso, algunos de los movimientos iniciales para alinear el telescopio tuvieron que calcularse, por así decirlo, a mano.
Recuerdo caminar a casa una noche, hablar por teléfono con mi esposa, Heidi, y decirle: “Si me equivoco en esto, simplemente arruiné completamente el telescopio”. Ella dijo: “Scott, por eso estás ahí”. Esa era su forma de decirme que me animara. La responsabilidad tenía que recaer en alguien y en ese momento era yo.
Pero cuando llegó el resultado, pudimos ver las imágenes. Apuntamos el telescopio a una estrella aislada brillante y luego pudimos ver, uno a la vez, 18 puntos que aparecían en el medio de nuestro detector científico principal. Recuerdo que un colega dijo: “Ahora creo que vamos a alinear completamente el telescopio”. Sentía en su mente que si podíamos pasar ese paso, todo lo demás iba cuesta abajo.
Estás tratando de reconstruir el universo. Es difícil hacerlo bien y es muy fácil cometer errores. Pero lo hicimos.
La construcción de Webb fue, por supuesto, un proyecto grande y complicado. ¿Crees que hay alguna lección particular que se pueda extraer de él que la gente en el futuro pueda encontrar útil?
Actón: Aquí hay un par de realmente importantes que se aplican a la detección y el control del frente de onda. Una es que hay múltiples instituciones involucradas (Northrop Grumman, Ball Aerospace, el Centro de Vuelo Espacial Goddard, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial) y la complicación de tener todas estas líneas institucionales. Podría haber sido muy, muy difícil de navegar. Así que desde el principio decidimos no tener líneas. Éramos un equipo completamente sin placa. Cualquiera podía hablar con cualquiera. Si alguien decía: “No, creo que esto está mal, deberías hacerlo de esta manera”, incluso si no tenía necesariamente una responsabilidad contractual, todos escuchaban.
Otra gran lección que aprendimos fue sobre la importancia de la interacción entre la experimentación y la simulación. Construimos un modelo a escala de un sexto, un modelo óptico completamente funcional del telescopio, y todavía funciona. Nos permitió, muy pronto, saber lo que iba a ser difícil. Entonces podríamos abordar esos problemas en la simulación. Esa comprensión, la interacción entre la experimentación y el modelado y las simulaciones, fue absolutamente esencial.
Reconociendo, por supuesto, que es muy pronto, ¿ya tienes una imagen favorita?
Actón: Mi imagen favorita, hasta ahora, fue una que se tomó durante la última actividad de frente de onda real que hicimos como parte de la puesta en servicio. Se llamó una prueba de rotación térmica. El telescopio tiene un parasol grande, pero el parasol puede estar en diferentes ángulos con respecto al sol. Entonces, para asegurarnos de que era estable, lo apuntamos a una estrella brillante que usamos como estrella guía, lo pusimos en una orientación y permanecimos allí durante cinco o seis días. Y luego cambiamos a una orientación diferente durante cinco o seis días. Resultó ser bastante estable. Pero, ¿cómo sabes que el telescopio no estaba girando alrededor de la estrella guía? Para verificar esto, tomamos una serie de imágenes de prueba con el sensor de guía fina redundante. Como puede imaginar, cuando tiene un telescopio de 6-1/2 metros en L2 lejos de cualquier fuente de luz competidora que se enfríe a 50 Kelvin, sí, es sensible. Incluso una sola exposición de 20 minutos tendrá detalles increíbles sobre el universo profundo. Imagina lo que sucede si tomas 100 de esas imágenes y las promedias juntas. Se nos ocurrió una imagen de una parte aleatoria del cielo.
La imagen de Webb favorita de Scott Acton: una imagen de prueba de una parte aleatoria del cielo, tomada con el sensor de guía fina de Webb. Los puntos con patrones de difracción de seis puntas son estrellas; todos los demás puntos son galaxias. NASA/CSA/FGS
Envié esta imagen a James Larkin en UCLA, y él la miró y estimó que esa imagen única tenía 15,000 galaxias. Cada una de esas galaxias probablemente tiene entre 100 [billion] y 200 mil millones de estrellas.
No hablo mucho de religión cuando se trata de esto, pero debo haber tenido en mi mente una referencia bíblica al canto de las estrellas. Me imaginé todas esas galaxias cantando, como si esta fuera una forma en que el universo expresara alegría de que, después de todos estos años, finalmente pudiéramos verlas. Fue una experiencia bastante emotiva para mí y para muchas personas.
¿Te diste cuenta de que había tanto por ahí y ni siquiera lo estabas buscando todavía? ¿Todavía estabas ajustando las fases del telescopio?
Actón: Así es. Supongo que no estoy seguro de lo que esperaba. Supuse que solo verías el cielo oscuro. Bien allí es sin cielo oscuro. El cielo oscuro es un mito. Las galaxias están en todas partes.
Finalmente, llegamos a nuestra primera imagen limitada por difracción. [with the telescope calibrated for science observations for the first time]. Y esa es la forma en que el telescopio está operando ahora.
Varios días después, nos reunimos unos 70 de nosotros: astrónomos, ingenieros y otros miembros del equipo. Un miembro del equipo, su nombre es Anthony Galyer, y yo nos habíamos ido a la mitad varios años antes y compramos una botella de coñac de 1906, el año en que nació James Webb. Brindamos por James Webb y el telescopio que lleva su nombre.
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