Questa animazione mostra la luce del percorso che seguirà quando colpisce il primario[{” attribute=””>James Webb Space Telescope (JWST) mirror, and is reflected to the secondary, and then in through the aft optics assembly where the tertiary and fine steering mirrors are. The light is then reflected and split and directed to the science instruments by pick-off mirrors. JWST is a three-mirror anastigmat telescope. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

This week, the three-month process of aligning the telescope began – and over the last day, Webb team members saw the first photons of starlight that traveled through the entire telescope and were detected by the Near Infrared Camera (NIRCam) instrument. This milestone marks the first of many steps to capture images that are at first unfocused and use them to slowly fine-tune the telescope. This is the very beginning of the process, but so far the initial results match expectations and simulations.

A team of engineers and scientists from Ball Aerospace, Space Telescope Science Institute, and NASA’s Goddard Space Flight Center will now use data taken with NIRCam to progressively align the telescope. The team developed and demonstrated the algorithms using a 1/6th scale model telescope testbed. They have simulated and rehearsed the process many times and are now ready to do this with Webb. The process will take place in seven phases over the next three months, culminating in a fully aligned telescope ready for instrument commissioning. The images taken by Webb during this period will not be “pretty” images like the new views of the universe Webb will unveil later this summer. They strictly serve the purpose of preparing the telescope for science.

To work together as a single mirror, the telescope’s 18 primary mirror segments need to match each other to a fraction of a wavelength of light – approximately 50 nanometers. To put this in perspective, if the Webb primary mirror were the size of the United States, each segment would be the size of Texas, and the team would need to line the height of those Texas-sized segments up with each other to an accuracy of about 1.5 inches.

Scott Acton e Chanda Walker di Ball Aerospace, insieme a Lee Feinberg della NASA Goddard, seguono i passaggi di base seguenti:

“Con il dispiegamento dei segmenti dello specchio ora completato e gli strumenti accesi, il team ha iniziato i numerosi passaggi necessari per preparare e calibrare il telescopio per svolgere il suo lavoro. Il processo di messa in servizio del telescopio richiederà molto più tempo rispetto ai precedenti telescopi spaziali perché lo specchio primario di Webb è costituito da 18 singoli segmenti di specchio che devono lavorare insieme come un’unica superficie ottica ad alta precisione. Le fasi del processo di messa in servizio includono:

1. Identificazione dell’immagine del segmento
2. Allineamento dei segmenti
3. Impilatura di immagini
4. Fasatura grossolana
5. Fasatura fine
6. Allineamento del telescopio sui campi visivi dello strumento
7. Iterare l’allineamento per la correzione finale

1. Identificazione dell’immagine del segmento

Per prima cosa, dobbiamo allineare il telescopio rispetto alla navicella spaziale. Il veicolo spaziale è in grado di effettuare movimenti di puntamento estremamente precisi, utilizzando “star tracker”. Pensa agli inseguitori stellari come a un GPS per veicoli spaziali. All’inizio, la posizione del veicolo spaziale dagli inseguitori stellari non corrisponde alla posizione di ciascuno dei segmenti dello specchio.

Stiamo puntando il telescopio verso una stella luminosa e isolata (HD 84406) per catturare una serie di immagini che vengono poi cucite insieme per formare un’immagine di quella parte del cielo. Ma ricorda, non abbiamo un solo specchio che guarda questa stella; abbiamo 18 specchi, ognuno dei quali è inizialmente inclinato verso una diversa parte del cielo. Di conseguenza, cattureremo effettivamente 18 copie leggermente spostate della stella, ognuna sfocata e distorta in modo univoco. Ci riferiamo a queste prime copie stellari come “immagini a segmenti”. Infatti, a seconda delle posizioni iniziali degli specchi, potrebbero essere necessarie più iterazioni per individuare tutti i 18 segmenti in un’immagine.

Uno per uno, sposteremo i 18 segmenti speculari per determinare quale segmento crea l’immagine del segmento. Dopo aver abbinato i segmenti dello specchio alle rispettive immagini, possiamo inclinare gli specchi per portare tutte le immagini vicino a un punto comune per ulteriori analisi. Chiamiamo questa disposizione un “array di immagini”.

2. Allineamento dei segmenti

Dopo aver ottenuto l’array di immagini, possiamo eseguire l’allineamento dei segmenti, che corregge la maggior parte dei grandi errori di posizionamento dei segmenti speculari.

Iniziamo sfocando le immagini del segmento spostando leggermente lo specchio secondario. L’analisi matematica, chiamata Phase Retrieval, viene applicata alle immagini sfocate per determinare gli errori di posizionamento precisi dei segmenti. Le regolazioni dei segmenti si traducono quindi in 18 “telescopi” ben corretti. Tuttavia, i segmenti non funzionano ancora insieme come un unico specchio.

3. Impilatura di immagini

Per mettere tutta la luce in un unico posto, ogni segmento dell’immagine deve essere impilato uno sopra l’altro. Nella fase di impilamento delle immagini, spostiamo le singole immagini del segmento in modo che cadano esattamente al centro del campo per produrre un’immagine unificata. Questo processo prepara il telescopio per la fase grossolana.

L’impilamento viene eseguito in sequenza in tre gruppi (segmenti A, segmenti B e segmenti C).

4. Fasatura grossolana

Sebbene Image Stacking metta tutta la luce in un punto del rivelatore, i segmenti agiscono ancora come 18 piccoli telescopi anziché come uno grande. I segmenti devono essere allineati tra loro con una precisione inferiore alla lunghezza d’onda della luce.

Effettuato tre volte durante il processo di messa in servizio, Coarse Phasing misura e corregge lo spostamento verticale (differenza del pistone) dei segmenti dello specchio. Utilizzando una tecnologia nota come Dispersed Fringe Sensing, utilizziamo NIRCam per catturare spettri di luce da 20 accoppiamenti separati di segmenti speculari. Lo spettro differirà in modo simile a un modello di palo da barbiere con una pendenza (o angolo) determinata dal pistone dei due segmenti nell’accoppiamento.

5. Fasatura fine

La fasatura fine viene eseguita anche tre volte, direttamente dopo ogni ciclo di fasatura grossolana, e poi regolarmente per tutta la durata della vita di Webb. Queste operazioni misurano e correggono gli errori di allineamento rimanenti utilizzando lo stesso metodo di sfocatura applicato durante l’allineamento del segmento. Tuttavia, invece di utilizzare lo specchio secondario, utilizziamo elementi ottici speciali all’interno dello strumento scientifico che introduce quantità variabili di sfocatura per ogni immagine (-8, -4, +4 e +8 onde di sfocatura).

6. Allineamento del telescopio sui campi visivi dello strumento

Dopo il Fine Phasing, il telescopio sarà ben allineato in un punto del campo visivo di NIRCam. Ora dobbiamo estendere l’allineamento al resto degli strumenti.

In questa fase del processo di messa in servizio, eseguiamo misurazioni in più posizioni, o punti di campo, su ciascuno degli strumenti scientifici, come mostrato di seguito. Una maggiore variazione di intensità indica errori maggiori in quel punto del campo. Un algoritmo calcola le correzioni finali necessarie per ottenere un telescopio ben allineato su tutti gli strumenti scientifici.

7. Iterare l’allineamento per la correzione finale

Dopo aver applicato la correzione del campo visivo, la cosa fondamentale da affrontare è la rimozione di eventuali piccoli errori di posizionamento residui nei segmenti dello specchio primario. Misuriamo e apportiamo correzioni utilizzando il processo Fine Phasing. Faremo un controllo finale della qualità dell’immagine su ciascuno degli strumenti scientifici; una volta verificato, il processo di rilevamento e controllo del fronte d’onda sarà completo.

Mentre eseguiamo i sette passaggi, potremmo scoprire che è necessario ripetere anche i passaggi precedenti. Il processo è flessibile e modulare per consentire l’iterazione. Dopo circa tre mesi di allineamento del telescopio, saremo pronti per procedere alla messa in servizio degli strumenti”.

Scritto da Scott Acton, Webb principale scienziato del rilevamento e del controllo del fronte d’onda, Ball Aerospace; Chanda Walker, scienziata di rilevamento e controllo del fronte d’onda Webb, Ball Aerospace; e Lee Feinberg, responsabile dell’elemento del telescopio ottico Webb, Goddard Space Flight Center della NASA.