El sistema de reemplazo axial del telescopio espacial con óptica correctora ( COSTAR ) es un instrumento de corrección óptica diseñado y construido por la NASA . Fue creado para corregir la aberración esférica del espejo primario del telescopio espacial Hubble , que enfocaba incorrectamente la luz sobre los instrumentos Faint Object Camera (FOC), Faint Object Spectrograph (FOS) y Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS). [1]
Fue trasladado en transbordador hasta el telescopio en la misión de servicio STS-61 , el 2 de diciembre de 1993, y se instaló con éxito en un período de once días.
En 1990, cuando se identificó que el espejo primario del recién lanzado telescopio espacial Hubble (HST) era defectuoso debido a que había sido pulido con una forma incorrecta, los ingenieros de la NASA se vieron sometidos a una enorme presión para solucionar el problema. La forma incorrecta del espejo introdujo una grave aberración esférica , un defecto en el que la luz que se refleja en el borde de un espejo se enfoca en un punto diferente de la luz que se refleja en su centro. El efecto de la falla en las observaciones científicas dependía de la observación en particular: el núcleo de la función de dispersión de puntos aberrados era lo suficientemente nítido como para permitir observaciones de alta resolución de objetos brillantes, y la espectroscopia de fuentes puntuales se vio afectada solo a través de una pérdida de sensibilidad. Sin embargo, la pérdida de luz en el gran halo desenfocado redujo gravemente la utilidad del telescopio para objetos débiles o imágenes de alto contraste. Esto significó que casi todos los programas cosmológicos eran esencialmente imposibles, ya que requerían la observación de objetos excepcionalmente débiles. [2]
Cuando se lanzó, el HST llevaba cinco instrumentos científicos: la cámara planetaria y de campo amplio (WFPC), el espectrógrafo de alta resolución Goddard (GHRS), el fotómetro de alta velocidad (HSP), la cámara de objetos débiles (FOC) y el espectrógrafo de objetos débiles (FOS). Como era demasiado difícil traer el HST de vuelta a la Tierra para repararlo, los ingenieros consideraron todo, desde reemplazar el espejo secundario del telescopio enviando un astronauta que caminara espacialmente dentro del tubo óptico del telescopio, hasta instalar una pantalla circular alrededor de la abertura del tubo, que reduciría la apertura y mejoraría el enfoque al bloquear las regiones externas del espejo primario. [3] Finalmente, se determinó que con el HST todavía en órbita, podrían reemplazar la WFPC con la cámara planetaria y de campo amplio mejorada 2, que incorporaría óptica correctiva. [3] Esto dejó soluciones por encontrar para los instrumentos restantes. Una opción potencial era insertar ópticas correctivas, lentes o espejos en el tubo del telescopio entre el espejo primario y el reflector secundario. Sin embargo, el tubo era demasiado estrecho para que incluso el astronauta más pequeño pudiera deslizarse por él, lo que llevó a buscar un medio para insertar los componentes correctivos necesarios en el tubo. [4]
En Alemania se celebró una reunión de crisis de la Agencia Espacial Europea para tratar los problemas del HST. Entre los asistentes se encontraba James H. Crocker, ingeniero óptico de alto nivel de la Ball Aerospace Corporation. Una mañana, mientras se duchaba en su hotel alemán, se dio cuenta de que el cabezal de la ducha se desplazaba sobre una varilla vertical y que podía sujetarse a la varilla a diferentes alturas y ángulos. La criada había dejado el cabezal de la ducha en la base de la varilla y colocado de forma plana contra la pared, lo que significaba que ocupaba muy poco espacio hasta que Crocker aflojó la abrazadera y lo movió a la posición que quería. Se le ocurrió la idea de que podrían montar los componentes correctores necesarios en un dispositivo de este tipo que permitiría insertarlos en el tubo antes de desplegarlos en brazos robóticos a la posición requerida para interceptar los rayos de luz del espejo secundario, corregirlos y luego enfocarlos sobre los diversos instrumentos científicos. [4] Una vez de regreso en Estados Unidos, explicó su idea, que fue inmediatamente retomada por otros ingenieros que comenzaron a desarrollar lo que en 1990 se había convertido en el Reemplazo Axial del Telescopio Espacial con Óptica Correctiva, o COSTAR. El costo presupuestado del COSTAR fue de 50.000.000 de dólares estadounidenses. [5] Para instalar el sistema COSTAR en el telescopio, uno de los otros instrumentos tuvo que ser removido, y los astrónomos seleccionaron el Fotómetro de Alta Velocidad para ser sacrificado, que era el menos importante de los cuatro detectores axiales. [2]
El diseño final, que tiene el tamaño de una cabina telefónica, consta de pequeños espejos de corrección que irradian horizontalmente desde una torre extensible. Para la apertura de cada instrumento hay dos espejos, M 1 y M 2 . M 1, que está en la trayectoria de la luz, actúa como un espejo de campo y es una esfera simple, mientras que la corrección de la aberración esférica la realiza M 2, que no tiene una forma perfecta y refleja la luz incidente de manera desigual. Sin embargo, las desviaciones se han calculado de modo que sean exactamente inversas a las del espejo principal. De este modo, después de ser reflejada y corregida por los dos espejos, la luz vuelve a tener la forma correcta. Esta disposición tiene la ventaja de que el campo corregido está libre de coma. [6] [7] Se utilizaron un total de diez espejos de corrección con diámetros que oscilaban en tamaño de aproximadamente 18 a 24 mm, ya que la cámara de objetos débiles y el espectrógrafo de objetos débiles tenían cada uno dos aperturas para cada uno de sus dos canales de medición, mientras que el espectrógrafo de alta resolución Goddard solo tenía una apertura para ambos canales. [5] El diseño se complicó por la necesidad de asegurar que los rayos de luz de los instrumentos antes mencionados, que estaban montados al final del tubo del telescopio, no alcanzaran los rayos del nuevo WFPC 2, que estaba montado en un lado del tubo del telescopio. [4]
En enero de 1991, la NASA seleccionó a Ball Aerospace Corp. como contratista principal para llevar a cabo todo el desarrollo, producción y verificación de COSTAR, un proceso que llevó 26 meses. [5] Para calcular las correcciones necesarias, un equipo calculó el error existente examinando las herramientas aún in situ que se utilizaron para fabricar el espejo primario, mientras que otro equipo independiente lo calculó utilizando las imágenes distorsionadas que el Hubble había transmitido. Ambos equipos llegaron a resultados de medición prácticamente idénticos. Los espejos de corrección que se produjeron posteriormente fueron revisados por dos equipos independientes para detectar errores. Una vez completado, todo el COSTAR se probó en el sistema de alineación COSTAR (CAS). Para verificar si había algún error en el CAS, el COSTAR se montó en el simulador opto-mecánico Hubble (HOMS) especialmente desarrollado, que simulaba los errores en el espejo primario defectuoso, para permitir una prueba de extremo a extremo y, por lo tanto, la verificación de la imagen de salida. El sistema HOMS también fue probado por dos grupos independientes (uno de Ball Aerospace y el otro del Centro de vuelo espacial Goddard) utilizando diferentes instrumentos de prueba. La Agencia Espacial Europea también contribuyó al proceso de verificación proporcionando un modelo de ingeniería de la Cámara de Objetos Débiles para proporcionar una verificación adicional. [5]
COSTAR reemplazó al fotómetro de alta velocidad durante la primera misión de servicio del Hubble en 1993. [8] El WFPC original fue reemplazado por el WFPC 2 durante la misma misión. [4]
El 28 de diciembre de 1993, el Instituto Científico del Telescopio Espacial ordenó a los brazos robóticos que desplegaran los espejos en su posición. Las imágenes resultantes confirmaron que el COSTAR había corregido la aberración esférica en el espejo primario. [7]
Los instrumentos posteriores, instalados después del despliegue inicial del HST, fueron diseñados con su propia óptica correctiva. COSTAR fue retirado del HST en 2009 durante la quinta misión de servicio y reemplazado por el Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos . Actualmente se exhibe en el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Instituto Smithsoniano en Washington, DC. [9] [3]
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