El elemento del telescopio óptico ( OTE ) es una subsección del telescopio espacial James Webb , un gran telescopio espacial infrarrojo lanzado el 25 de diciembre de 2021 , [1] que consta de su espejo principal , espejos secundarios , el marco y los controles para sostener los espejos y varios sistemas térmicos y de otro tipo. [1]
El OTE recoge la luz y la envía a los instrumentos científicos del Módulo de Instrumentos Científicos Integrados de Webb . [1] Se ha comparado al OTE con el " ojo " del telescopio y la placa posterior con la " columna vertebral ". [2]
El espejo primario es un conjunto de 18 elementos hexagonales , cada uno de 1,32 metros (4,3 pies) de plano a plano. Esta combinación produce una apertura efectiva de 6,5 metros (21 pies) y una superficie colectora total de 27 metros cuadrados (290 pies cuadrados). [3] Los espejos secundarios completan la óptica de imágenes anastigmáticas con una apertura efectiva de 1,32 metros (4,3 pies) de plano a plano.yRelación focal de 20 y longitud focal de 131,4 metros (431 pies). [4] El telescopio principal de tres espejos es un diseño de tipo Korsch , [5] y alimenta al Subsistema de Óptica Posterior (parte de OTE), que a su vez alimenta al Módulo de Instrumentos Científicos Integrados que contiene los instrumentos científicos y el sensor de guía fina.
Las otras dos secciones principales del JWST son el Módulo de Instrumentos Científicos Integrados (ISIM) y el Elemento de la Nave Espacial (SE), que incluye el bus de la nave espacial y el parasol . [6] Los componentes del OTE fueron integrados por L3Harris Technologies para formar el sistema final. [7]
El OTE combina una gran cantidad de componentes ópticos y estructurales del telescopio espacial James Webb, incluido el espejo principal. [8] También tiene el espejo de dirección fina, que proporciona ese apuntamiento final preciso, y funciona en conjunto con el sensor de guía fina y otros sistemas de control y sensores en el bus de la nave espacial . [8]
Los segmentos principales del espejo se alinean aproximadamente utilizando un algoritmo de fase gruesa . [8] Luego, para una alineación más fina, se utilizan dispositivos ópticos especiales dentro de NIRCam para realizar una técnica de recuperación de fase, para lograr un error de frente de onda diseñado de menos de 150 nm. [8] Para funcionar como espejo de enfoque correctamente, los 18 segmentos principales del espejo deben estar alineados muy de cerca para funcionar como uno solo. [8] Esto debe hacerse en el espacio exterior, por lo que se requieren pruebas exhaustivas en la Tierra para garantizar que funcionará correctamente. [8] Para alinear cada segmento del espejo, se monta en seis actuadores que pueden ajustar ese segmento en pasos de 5 nm. [8] Una razón por la que el espejo se dividió en segmentos es que reduce el peso, porque el peso de un espejo está relacionado con su tamaño, que también es una de las razones por las que se eligió el berilio como material del espejo debido a su bajo peso. [8] Aunque en el entorno esencialmente sin peso del espacio, el espejo no pesará casi nada, debe ser muy rígido para mantener su forma. [8] El subsistema de detección y control de frente de onda está diseñado para hacer que el espejo primario de 18 segmentos se comporte como un espejo monolítico (de una sola pieza), y lo hace en parte detectando y corrigiendo activamente los errores. [9] Hay nueve procesos de alineación de distancia por los que pasa el telescopio para lograr esto. [9] Otro aspecto importante de los ajustes es que el conjunto de la placa posterior del espejo primario sea estable. [10] El conjunto de la placa posterior está hecho de compuesto de grafito, invar y titanio . [10]
El ADIR ( Radiador infrarrojo desplegable posterior) es un radiador ubicado detrás del espejo principal que ayuda a mantener el telescopio frío. [11] Hay dos ADIR y están hechos de aluminio de alta pureza. [11] Los radiadores tienen un revestimiento negro especial que les ayuda a emitir calor al espacio. [11]
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Algunas partes importantes del OTE según la NASA: [1]
El subsistema de óptica de popa incluye el espejo terciario y el espejo de dirección fino. [1] Una de las tareas del espejo de dirección fino es la estabilización de la imagen. [12]
El berilio fue elegido por varias razones, entre ellas su peso, pero también por su coeficiente de expansión térmica a baja temperatura en comparación con el vidrio. [12] Además, el berilio no es magnético y es un buen conductor de electricidad y calor. [13] Otros telescopios infrarrojos que han utilizado espejos de berilio son el IRAS , el COBE y el Spitzer . [12] El Demostrador de Modelo de Berilio a Subescala (SBMD) se probó con éxito a temperaturas criogénicas, y una de las preocupaciones era la rugosidad de la superficie a números Kelvin bajos. [12] Los espejos de berilio están recubiertos con una capa muy fina de oro para reflejar la luz infrarroja. [12] [14] Hay 18 segmentos hexagonales que se agrupan para crear un único espejo con un diámetro total de 6,5 metros (21 pies). [14]
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En la base del OTE se encuentra el Ensamblaje de la Torre Desplegable (DTA, por sus siglas en inglés ), un componente crítico que conecta el OTE al bus de la nave espacial. Debe expandirse para permitir que el parasol (JWST, por sus siglas en inglés) se extienda, lo que permite que el espacio entre las cinco capas se expanda. [15] El segmento del parasol tiene múltiples componentes, incluidos seis separadores en el borde exterior para extender las capas en las seis extremidades.
Durante el lanzamiento, el DTA se encoge, pero debe extenderse en el momento adecuado. [15] La estructura extendida del DTA permite que las capas del protector solar se extiendan por completo. [15] El DTA también debe aislar térmicamente la sección fría del OTE del bus caliente de la nave espacial. [15] El protector solar protegerá al OTE de la luz solar directa y reducirá la radiación térmica que lo golpea, pero otro aspecto es la conexión física del OTE con el resto de la nave espacial. [15] (ver Conducción térmica y Transferencia de calor ) Mientras que el protector solar evita que el telescopio se caliente debido al calor irradiado por el Sol, el DTA debe aislar el telescopio del calor del resto de la estructura, de forma similar a la forma en que el mango de una sartén aislada protege del calor de una estufa.
El DTA se extiende por medio de dos tubos telescópicos que pueden deslizarse entre sí sobre rodillos. [15] Hay un tubo interior y un tubo exterior. [15] El DTA se extiende mediante un motor eléctrico que hace girar una tuerca de tornillo de bola que separa los dos tubos. [15] Cuando el DTA está completamente desplegado, mide 3 metros (10 pies) de largo. [16] Los tubos del DTA están hechos de fibra de carbono compuesta de grafito y se pretende que puedan sobrevivir a las condiciones del espacio. [17]
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Lograr un espejo principal funcional se consideró uno de los mayores desafíos del desarrollo de JWST. [8] Parte del desarrollo de JWST incluyó la validación y prueba de JWST en varios bancos de pruebas de diferentes funciones y tamaños. [26]
Algunos tipos de elementos de desarrollo incluyen exploradores , bancos de pruebas y unidades de prueba de ingeniería . [27] A veces, un solo elemento se puede utilizar para diferentes funciones, o puede que no sea un elemento creado físicamente en absoluto, sino más bien una simulación de software. [27] El telescopio espacial NEXUS era un telescopio espacial completo, pero esencialmente un JWST a escala reducida pero con una serie de cambios que incluían solo tres segmentos de espejo con uno plegable para un diámetro de espejo principal de 2,8 metros (9,2 pies). [28] Era más ligero, por lo que se imaginó que podría lanzarse ya en 2004 en un cohete de lanzamiento Delta 2. [28] El diseño fue cancelado a finales de 2000. [29] En ese momento, el NGST/JWST todavía tenía un diseño de 8 metros (26 pies), con un área de 50 m 2 (540 pies cuadrados), unos años más tarde se redujo finalmente al diseño de 6,5 metros (21 pies), con un área de 25 m 2 (270 pies cuadrados). [30]
Una parte del desarrollo del JWST fue la producción del Pathfinder del elemento del telescopio óptico. [31] El Pathfinder OTE utiliza dos segmentos de espejo adicionales y un espejo secundario adicional, y reúne varias estructuras para permitir la prueba de varios aspectos de la sección, incluido el equipo de soporte terrestre. [31] Esto respalda el uso del GSE en el propio JWST más adelante y permite probar la integración del espejo. [31] El Pathfinder OTE tiene 12 celdas en lugar de 18 en comparación con el telescopio completo, pero incluye una prueba de la estructura de la placa posterior. [32]
Hay muchos artículos de prueba y demostradores de desarrollo para la creación del JWST. [27] Algunos de los más importantes fueron los primeros demostradores que mostraron que muchas de las tecnologías fundamentales del JWST eran posibles. [27] Otros artículos de prueba son importantes para la mitigación de riesgos, ya que reducen esencialmente el riesgo general del programa al practicar en algo distinto a la nave espacial en vuelo real.
Otro banco de pruebas, el Test Bed Telescope, era un modelo a escala 1/6 del espejo principal, con segmentos pulidos y actuadores funcionales, que funcionaba a temperatura ambiente y se utilizó para probar todos los procesos de alineación de los segmentos del JWST. [9] Otro banco de pruebas de óptica se llama JOST, que significa JWST Optical Simulation Testbed, y utiliza un MEMS con segmentos hexagonales para simular los grados de libertad de la alineación y el desfase del espejo primario. [26]
El Demostrador de Modelo de Berilio a Subescala (SBMD, por sus siglas en inglés) fue fabricado y probado en 2001 y demostró tecnologías habilitadoras para lo que pronto fue bautizado como el Telescopio Espacial James Webb, anteriormente el Telescopio Espacial de Próxima Generación (NGST, por sus siglas en inglés). [18] El SBMD era un espejo de medio metro de diámetro hecho de berilio en polvo. [18] Luego, el peso del espejo se redujo mediante un proceso de fabricación de espejos llamado "aligeramiento", donde se elimina material sin alterar su capacidad de reflexión, y en este caso se eliminó el 90% de la masa del SBMD. [18] Luego se montó en una placa posterior rígida con flexores de bípode de titanio y se sometió a varias pruebas. [18] Esto incluyó congelarlo a las bajas temperaturas requeridas y ver cómo se comportaba óptica y físicamente. [18] Las pruebas se llevaron a cabo con el Sistema de Prueba Óptica (también conocido como OTS, por sus siglas en inglés) que fue creado específicamente para probar el SBMD. [18] [33] El SBMD tuvo que cumplir con los requisitos para un espejo espacial, y estas lecciones fueron importantes para el desarrollo del JWST. [34] Las pruebas se llevaron a cabo en la Instalación de Calibración de Rayos X (XRCF) en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) en el estado de Alabama, EE. UU. [18] [33]
El sistema de pruebas ópticas (OTS) tuvo que desarrollarse para probar el SBMD (el prototipo de espejo NGST) en condiciones de vacío criogénico. [33] El OTS incluía un sensor WaveScope Shack-Hartmann y un instrumento de medición de distancia Leica Disto Pro. [33]
Algunos bancos de pruebas, exploradores, etc. de tecnología JWST:
Otro programa relacionado fue el programa Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD). [36] Los resultados del AMSD se utilizaron en la construcción de espejos de berilio. [36]
Cada uno de los 18 segmentos del espejo, de forma hexagonal, tiene un diámetro de 1,32 metros (4,3 pies), de plano a plano.
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![Se muestra el analizador de imágenes de haz, preparándose para probar OSIM bajo un vacío criogénico, 2012.[35]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/27/Scanning_Webb%E2%80%99s_Surrogate_Eye_(7514480594).jpg/1280px-Scanning_Webb%E2%80%99s_Surrogate_Eye_(7514480594).jpg)
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