El Reemplazo Axial del Telescopio Espacial de Óptica Correctiva ( 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 de la Cámara de Objetos Débiles (FOC), el Espectrógrafo de Objetos Débiles (FOS) y el Espectrógrafo de Alta Resolución Goddard (GHRS). [1]
Fue llevado en lanzadera hasta el telescopio en la misión de servicio STS-61 , el 2 de diciembre de 1993, y se instaló con éxito durante un período de once días.
Una vez que se identificó en 1990 que el espejo primario del recientemente lanzado Telescopio Espacial Hubble (HST) estaba defectuoso debido a que había sido rectificado con la forma incorrecta, los ingenieros de la NASA se vieron sometidos a una inmensa presión para solucionar el problema. La forma incorrecta del espejo introdujo una severa 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 del defecto en las observaciones científicas dependía de la observación 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 veía afectada sólo por 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 significaba 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 regreso a la Tierra para repararlo, los ingenieros consideraron todo, desde reemplazar el espejo secundario del telescopio enviando a un astronauta en caminata espacial al tubo óptico del telescopio, hasta instalar una pantalla circular alrededor de la abertura del tubo, lo que reduciría la apertura y mejorando el enfoque bloqueando las regiones exteriores del espejo primario. [3] Finalmente se determinó que con el HST todavía en órbita podrían reemplazar el WFPC con la cámara planetaria y de campo amplio 2 mejorada que incorporaría óptica correctiva. [3] Esto dejó aún soluciones por encontrar para los instrumentos restantes. Una posible opción 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 una forma de insertar los componentes correctivos necesarios en el tubo. [4]
En Alemania se celebró una reunión de crisis de la Agencia Espacial Europea para discutir estos problemas con el HST. Entre los asistentes se encontraba James H. Crocker, ingeniero óptico senior de Ball Aerospace Corporation. Una mañana, mientras se duchaba en su hotel alemán, notó que el cabezal de la ducha se desplazaba sobre una barra vertical y que podía sujetarse a la barra en diferentes alturas y ángulos. La criada había dejado el cabezal de la ducha en la base de la barra y lo había colocado plano 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 correctivos necesarios en un dispositivo que les permitiría insertarlos en el tubo antes de desplegarlos en brazos robóticos a la posición requerida para interceptar los rayos de luz del espejo secundario, corregir y luego enfocarlos en los diversos instrumentos científicos. [4] Una vez de regreso en Estados Unidos, explicó su idea, que fue inmediatamente adoptada por otros ingenieros que comenzaron a desarrollar lo que en 1990 se había convertido en el Reemplazo Axial del Telescopio Espacial de Óptica Correctiva, o COSTAR. El costo presupuestado del COSTAR fue de US$50.000.000. [5] Para colocar el sistema COSTAR en el telescopio, fue necesario retirar uno de los otros instrumentos y los astrónomos seleccionaron el fotómetro de alta velocidad para sacrificarlo, que era el menos importante de los cuatro detectores axiales. [2]
El diseño final, del tamaño de una cabina telefónica, constaba de pequeños espejos correctores que irradiaban horizontalmente desde una torre extensible. Para la apertura de cada instrumento hay dos espejos, M 1 y M 2 . M 1 , que se encuentra en el camino 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. Así, 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 varían 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 Goddard de alta resolución El espectrógrafo sólo tenía una apertura para ambos canales. [5] El diseño se complicó por la necesidad de garantizar que los rayos de luz de los instrumentos mencionados anteriormente que estaban montados en el extremo 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 duró 26 meses. [5] Para calcular las correcciones requeridas, un equipo calculó el error existente examinando las herramientas aún in situ que se utilizaron para hacer 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. A continuación, dos equipos independientes comprobaron si había errores en los espejos correctores fabricados posteriormente. Una vez completado, todo el COSTAR se probó en el Sistema de alineación COSTAR (CAS). Para verificar cualquier error en el CAS, el COSTAR se montó en el Simulador Opto-Mecánico Hubble (HOMS) especialmente desarrollado que simuló 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 Goddard Space Flight Center) 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 verificación adicional. [5]
COSTAR reemplazó el fotómetro de alta velocidad durante la primera misión de mantenimiento 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 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 mantenimiento y reemplazado por el Espectrógrafo Cosmic Origins . Ahora se exhibe en el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian en Washington, DC. [9] [3]
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