O que o Telescópio Espacial James Webb está fazendo atualmente? (3) – Tempos de Ciência

O que o Telescópio Espacial James Webb está fazendo agora, que se tornará os novos olhos da humanidade? O Telescópio Espacial James Webb, que começará suas primeiras observações em maio ou junho deste ano, foi lançado há mais de três meses. Em comemoração ao Mês da Ciência, resumimos o progresso feito desde o lançamento do Telescópio Espacial James Webb até o presente e traçamos planos futuros.

O trabalho do espelho JWST e o alinhamento fino começam

A partir de 1º de fevereiro de 2022, o JWST, que finalmente terminou todo o desenvolvimento, abriu suas asas e começou a exibir sua ótima aparência (Atalhos para artigos relacionadosApenas o espelho do telescópio e os trabalhos de alinhamento fino previstos para cerca de 3 meses, e o processo de resfriamento dos telescópios e instrumentos permaneceram.

A Ball Aerospace e uma equipe de engenheiros e cientistas do Goddard Space Flight Center da NASA agora usarão dados do NIRCam para alinhar gradualmente o telescópio. A equipe desenvolveu e demonstrou o algoritmo usando um modelo de telescópio, que é um sexto do tamanho do modelo real, e completou com sucesso vários testes antes do lançamento do JWST. O processo de alinhamento acima é um processo de preparação para o processo de teste, portanto, quando o processo de alinhamento estiver concluído, o telescópio JWST iniciará o primeiro processo de teste.

O espelho principal do JWST consiste em 18 segmentos de espelho individuais (clipes) para sua referência. Se o diâmetro principal é do tamanho dos Estados Unidos continentais, então cada uma das dezoito partes é do tamanho do Texas. Como eles devem trabalhar juntos como uma única superfície óptica de alta resolução, a fase de configuração do test drive do JWST leva muito mais tempo do que os telescópios espaciais anteriores.

Para que um espelho principal de 18 segmentos de espelho primário funcione como um único espelho, todos os segmentos devem corresponder a um comprimento de onda fixo de luz (cerca de 50 nm). As etapas para preparar o alinhamento e executar o teste podem ser divididas em um total de 7 etapas: seleção da imagem do clipe, alinhamento do clipe, empilhamento de imagens, gradação aproximada e fases exatas. , alinhe o telescópio sobre os campos de visão do dispositivo e repita o alinhamento para a correção final.

Os sete passos não estão necessariamente todos em ordem. Ele segue um algoritmo padrão projetado para ser flexível e repetível.Após cerca de três meses de alinhamento do telescópio, o JWST está finalmente pronto para o processo de teste do equipamento.

A primeira etapa do processo de espelhamento JWST e alinhamento fino – seleção de imagem de clipe

Primeiro, é necessário alinhar o telescópio com base na espaçonave JWST. A espaçonave JWST pode realizar movimentos de orientação muito precisos usando “rastreadores de estrelas” chamados de espaçonaves GPS, mas a localização da espaçonave determinada pelo primeiro rastreador de estrelas pode não corresponder exatamente à de cada um dos 18 segmentos do espelho. Isso ocorre porque cada espelho inicialmente se inclina em direção a uma parte diferente quando a implantação pós-lançamento é concluída.

Em 2 de fevereiro, a equipe do JWST anunciou que havia iniciado o reconhecimento de imagens tomográficas, o primeiro passo no alinhamento de espelhos, usando um dispositivo NIRCam (Near Infrared Camera). A razão para usar o NIRCam no estágio inicial de alinhamento é que o dispositivo de crise pode operar com segurança em uma temperatura mais alta do que outros dispositivos e possui um amplo campo de visão. Quando a câmera NIRCam, ainda em resfriamento, atinge 120K (-153°C), a equipe de óptica move com precisão as 18 seções principais do espelho, prontas para formar uma única superfície espelhada. Portanto, o primeiro dispositivo de detecção de fótons entre todos os dispositivos no JWST é o NIRCam.

A equipe do JWST primeiro mirou HD 84406, uma estrela brilhante e isolada na constelação da Ursa Maior, e começou a identificar a luz da mesma estrela em cada um dos 18 segmentos do espelho primário para garantir que ela estivesse pronta para coletar luz através do NIRCam. Usando o primeiro instrumento de câmera de infravermelho próximo (NIRCam) de detecção de luz estelar, a equipe do JWST obteve um mosaico de imagens de 18 pontos de luz estelar gerados aleatoriamente que alinham e focam o telescópio. Para referência, os resultados preliminares acima foram quase de acordo com os resultados da simulação. Portanto, a partir da seleção da imagem do clipe, é realizado um processamento gradual até que as dezoito imagens acima se tornem uma.

Espelho JWST e alinhamento fino Etapa 2 – Alinhar a seção

Após a conclusão do processo de seleção da imagem do segmento, o alinhamento do segmento deve ser realizado para corrigir erros de posicionamento para que todas as imagens possam se referir a um local comum por meio de análises adicionais. O processo acima começa movendo ligeiramente o espelho extra para desfocar a imagem dividida. Uma análise matemática chamada recuperação de fase é usada nas imagens desfocadas para determinar o erro exato da posição do segmento. Pode-se dizer que a etapa acima é uma etapa essencial na instalação da luz para que todos os espelhos funcionem harmoniosamente.

De acordo com o Dr. René Doyon e Dr. Nathalie Ollet da Universidade de Montreal, em 13 de fevereiro, eles realizaram com sucesso o primeiro trabalho microscópico usando o sensor de micro-orientação (FGS). Para referência, o fino acabamento é tão preciso que uma pessoa na cidade de Nova York pode perceber o movimento dos olhos de uma pessoa piscando na fronteira canadense, a 500 quilômetros de distância.

Depois que os erros de posição do clipe são corrigidos, 18 “telescópios” bem corrigidos são criados, porém os clipes não funcionam juntos como um único espelho.

A terceira etapa do processo de espelhamento JWST e alinhamento fino – empilhamento de imagens

Para trazer toda a luz em um só lugar, cada imagem segmentada deve ser sobreposta uma à outra. Na etapa de empilhamento de imagens, as imagens de TC individuais são movidas para que fiquem precisamente no centro do campo para criar uma imagem única e uniforme.

A operação acima é realizada por três grupos (segmento A, segmento B, segmento C) divididos de acordo com a distância. Ou seja, depois de ativar um grupo de seis espelhos de cada vez, eles funcionam até que todos os pontos da luz das estrelas se sobreponham.

Em 25 de fevereiro, a equipe do JWST anunciou que havia realizado com sucesso até o terceiro estágio de um total de 7 estágios de alinhamento de espelhos e anunciou que havia entrado no quarto estágio, o estágio de ajuste de estágio grosseiro.

O resfriamento do JWST também está progredindo de forma constante.

Em fevereiro de 2022, o JWST iniciou o longo processo de alinhamento dos espelhos do telescópio, mas o processo de resfriamento do telescópio JWST também continua.

Uma viseira solar superdimensionada protege telescópios, câmeras e instrumentos científicos da luz solar direta e da luz solar refletida da Terra e da Lua. O lado frio do pára-sol é resfriado passivamente e começa a irradiar calor para o espaço sideral. Miliwatts de energia que passam pela viseira solar e o calor da eletrônica do dispositivo equilibram com precisão a perda de calor. O processo de resfriamento passivo acima começou depois que o visor solar foi totalmente implantado e continuará até que o telescópio e três instrumentos de infravermelho próximo (NIR) atinjam temperaturas estáveis.

Espera-se que o espelho principal esfrie abaixo de 50K (-223°C) e o instrumento NIR atinja cerca de 40K (-233°C). Cada parte do espelho principal tem uma temperatura diferente. A partir de 9 de fevereiro, as partes próximas ao pára-sol estão ficando um pouco mais quentes. Em geral, espera-se que todas as partes do espelho resfriem mais 10 K, e a temperatura final deverá ser cerca de 15-20 K. Por outro lado, o espelho auxiliar (pequeno espelho) suspenso na extremidade da estrutura de suporte já está resfriado a frio (~30 K).

Por outro lado, o MIRI requer mais resfriamento. Além do resfriamento passivo, o MIRI é resfriado a temperaturas abaixo de 7K por resfriadores de gás hélio criogênico de ciclo fechado. Ao contrário de algumas missões criogênicas anteriores, onde foram resfriados vaporizando hélio líquido e liberando-o no espaço, os resfriadores MIRI reciclam hélio enquanto o refrigerante continua a reciclar seu próprio refrigerante. A partir de 10 de fevereiro, os instrumentos científicos, excluindo os telescópios, têm uma temperatura de cerca de 75 K (-198 ° C) e vários processos de resfriamento adicionais começaram a atingir sua temperatura operacional final.

O resfriamento é necessário para atingir os objetivos do JWST, que foram estabelecidos de forma constante ao longo de muitos anos de missões de infravermelho. A observação infravermelha começou no século 19, mas as missões de observação que fizeram uma grande marca na observação infravermelha são IRAS (Infrared Astronomy Satellite) e ISO (Infrared Space Observatory). Nas observações acima, o maior problema foi o quanto o telescópio havia esfriado. Normalmente, o hélio líquido pode ser usado para manter o interior fresco, mas há uma desvantagem de que o tamanho do telescópio não pode ser aumentado até certo ponto para isso. Portanto, o JWST optou por reciclar hélio liberando continuamente calor no espaço, uma tecnologia usada pela primeira vez pelo Telescópio Espacial Infravermelho Spitzer da NASA e pelo Telescópio Herschel da Agência Espacial Européia.

* Observe que todos os horários são baseados no Horário Padrão do Leste.

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