12/03/2022

Els miralls del telescopi James Webb

La sensibilitat d'un telescopi, o quant de detall pot veure, està directament relacionada amb la mida de l'àrea del mirall que recull la llum dels objectes que s'observen. El mirall primari de James Webb fa 6,5 metres d'amplada; un mirall d'aquesta mida mai no havia estat llançat a l'espai. 

Clic per engrandir. El mirall primari del telescopi espacial James Webb al Centre Goddard de la
NASA
. El mirall secundari és el mirall rodó situat al final dels llargs braços, que es pleguen en la
configuració de llançament. Els miralls de Webb estan coberts d'una fina capa d'or microscòpica,
que els optimitza per reflectir la llum infraroja, que és la longitud d'ona primària de la llum que
aquest telescopi observarà. Foto: NASA/Chris Gunn


Visió general

Un dels objectius científics del Telescopi Espacial James Webb és mirar cap enrere a través del temps quan les galàxies eren joves. Webb farà això observant galàxies que estan molt distants, a més de 13 mil milions danys llum de distància de nosaltres. Per veure objectes tan distants i febles, Webb necessita un gran mirall. La sensibilitat d'un telescopi, o quant detall pot veure, està directament relacionada amb la mida de l'àrea del mirall que recull la llum dels objectes que s'observen. Una àrea més gran recull més llum, igual que una galleda més gran recull més aigua en una pluja que una de petita. 

Desafiaments de l'enginyeria

Els científics i enginyers del Telescopi Webb van determinar que un mirall primari de 6,5 metres de diàmetre era el que calia per mesurar la llum d'aquestes galàxies distants. Construir un mirall d'aquesta mida és tot un repte, fins i tot per al seu ús a terra. Un mirall d'aquesta mida mai no havia estat llançat a l'espai!


Clic per engrandir. Comparativa de la mida dels miralls primaris del Hubble (esquerra) i
del James Webb (dreta). Crèdit: NASA

Si el mirall de 2,4 metres del Telescopi Espacial Hubble s'escalés per ser prou gran per al Webb, seria massa pesat per llançar-se a l'òrbita. L'equip de Webb va haver de trobar noves maneres de construir el mirall perquè fos prou lleuger -només una dècima part de la massa del mirall del Hubble per unitat d'àrea- però molt fort.

L'equip del Telescopi Webb va decidir fer els segments del mirall a partir de beril·li, que és alhora fort i lleuger. Cada segment pesa aproximadament 20 quilograms.

Miralls plegables

L'equip del Telescopi Webb també va decidir construir el mirall en segments sobre una estructura que es plega, com les fulles d'una taula extensible, perquè pugui cabre en un coet. El mirall es desplegaria després del llançament. Cadascun dels 18 segments de mirall en forma hexagonal té 1,32 metres de diàmetre, de punta a punta. (El mirall secundari de Webb té 0,74 metres de diàmetre.)


Clic per engrandir. El telescopi espacial James Webb es mostra amb una de les dues "ales" plegades. Cada ala sosté tres dels seus segments de mirall primari. Quan Webb es llanci, les dues ales s'estibaran en aquesta posició, cosa que permet que el mirall pugui encaixar al vehicle de llançament. Més informació sobre la configuració de llançament de Webb. Crèdit: NASA/Chris Gunn

Per què hexagonal?

La forma hexagonal permet un mirall aproximadament circular, segmentat amb "alt factor d'ompliment i simetria de sis vegades." Alt factor d'ompliment vol dir que els segments encaixen entre si sense buits. Si els segments fossin circulars, hi hauria forats entre ells. La simetria és bona perquè només calen 3 prescripcions òptiques diferents per a 18 segments, 6 de cadascun (vegeu el diagrama més avall). Finalment, es vol una forma de mirall general aproximadament circular perquè enfoca la llum a la regió més compacta dels detectors. Un mirall oval, per exemple, donaria imatges allargades en una direcció. Un mirall quadrat enviaria molta llum fora de la regió central.


Clic per engrandir. Els diferents colors denoten cada una de les tres diferents prescripcions
òptiques per al mirall de Webb.

 

Clic per engrandir. Cadascun dels miralls de Webb té una designació individual. A, B o C denota quina de
les tres prescripcions de mirall és un segment. Les fotos petites mostren la versió de cada mirall del telescopi.

Aconseguir un únic enfocament perfecte; Actuadors 

Un cop a l'espai, aconseguir que aquests miralls s'enfoquin correctament en galàxies llunyanes és un altre desafiament. Els actuadors, o petits motors mecànics, proporcionen la resposta per aconseguir un únic enfocament perfecte. Els segments del mirall primari i el mirall secundari són moguts per sis actuadors que s'uneixen a la part posterior de cada peça del mirall. Els segments del mirall primari també tenen un actuador addicional al centre que ajusta la seva curvatura. El mirall terciari del telescopi roman estacionari.

Lee Feinberg, gerent d'elements del telescopi òptic Webb de la NASA a Goddard, explica: "Alinear els segments del mirall primari com si fossin un sol mirall gran significa que cada mirall està alineat a 1/10.000 del gruix d'un cabell humà. és encara més sorprenent és que els enginyers i científics que treballen al telescopi Webb literalment van haver d'inventar com fer això".


Clic per engrandir. (Dalt i abaix), aquests diagrames mostren la part posterior dels miralls i els
actuadors. Crèdit: ASU/NASA, infografia en català: Sci-Bit

 

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Vegeu els actuadors que estan
connectats a la part posterior d'un mirall telescòpic en aquest vídeo "Darrere del Webb".

Desafiament per l'enginyeria: Mantenir freds els miralls de Webb

Un altre desafiament és mantenir el miralls del Webb freds. Per veure les primeres estrelles i galàxies a l'Univers primerenc, els astrònoms han d'observar la llum infraroja emesa per ells, i utilitzar un telescopi i instruments optimitzats per a aquesta llum. Com que els objectes càlids emeten llum infraroja, o calor, si el mirall de Webb tingués la mateixa temperatura que el telescopi espacial Hubble, la tènue llum infraroja de galàxies distants es perdria a la resplendor infraroja del mirall. Per tant, Webb necessita estar molt fred ("criogènic"), amb els seus miralls al voltant de -220 graus C. El mirall en conjunt ha de ser capaç de suportar temperatures molt fredes, així com mantenir la seva forma. 

Per mantenir el Webb fred, ha estat enviat a l'espai profund, lluny de la Terra. Els protectors solars cobriran els miralls i instruments de la calor del Sol, així com els mantindrà separats del càlid suport de la nau espacial. 

Quin tipus de telescopi és el Webb?

Webb és el que es coneix com un telescopi anastigmàtic de tres miralls. En aquesta configuració, el mirall primari és còncau, el secundari és convex i funciona lleugerament fora de l'eix. El terciari elimina l'astigmatisme resultant i també aplana el pla focal. Això també permet un camp de visió més ampli.  

Aquesta animació mostra com la llum viatja a través del telescopi.

Miralls de Recerca i Innovació.

La NASA es va proposar investigar noves maneres de construir miralls per a telescopis. El programa Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) va ser una associació de quatre anys entre la NASA, l'Oficina Nacional de Reconeixement i la Força Aèria dels Estats Units per estudiar maneres de construir miralls lleugers. Sobre la base dels estudis de ASMD, es van construir dos miralls de prova i es van provar completament. Un va ser fet de beril·li per Ball Aerospace; l'altre va ser construït per Kodak (anteriorment ITT, ara la Corporació Harris) i va ser fet d'un tipus especial de vidre. 

Es va triar un equip d'experts per provar tots dos miralls, per determinar què tan bé funcionaven, quant costaven i com de fàcil (o difícil) seria construir un mirall de mida completa de 6,5 metres. Els experts van recomanar que se seleccionés el mirall de beril·li per al telescopi espacial James Webb, per diverses raons, una de les quals és que el beril·li manté la seva forma a temperatures criogèniques. Basat en la recomanació de l'equip d'experts, Northrop Grumman (la companyia que estàva liderant l'esforç per construir Webb) va seleccionar un mirall de beril·li, i la gerència del projecte a NASA Goddard va aprovar aquesta decisió.

Per què el beril·li?

El beril·li és un metall lleuger (símbol atòmic: Be) que té moltes característiques que el fan desitjable per al mirall primari de Webb. En particular, el beril·li és molt fort pel seu pes i és bo per mantenir la seva forma a través d'un rang de temperatures. El beril·li és un bon conductor d'electricitat i calor, i no és magnètic.

Com que és lleuger i fort, el beril·li s'utilitza sovint per construir peces per a avions supersònics (més ràpids que la velocitat del so) i el transbordador espacial. També s'utilitza en aplicacions més realistes com a ressorts i eines. Cal tenir especial cura quan es treballa amb beril·li, perquè no és saludable respirar o empassar pols de beril·li.

Com i a on es van fer els miralls de beril·li

Els 18 miralls de beril·li lleugers especials del Telescopi Espacial James Webb van haver de fer 14 parades a 11 llocs diferents al voltant dels EUA per completar la seva fabricació. Van arribar a la vida a les mines de beril·li a Utah, i després es van traslladar a través del país per al processament i polit. De fet, els miralls van fer parades en vuit estats al llarg del camí, visitant alguns estats més d'una vegada, abans de viatjar a Amèrica del Sud per a l'enlairament i el començament del viatge final a l'espai. Explora un mapa interactiu que mostra el viatge dels miralls.

Un tros de beril·li.

El beril·li per fer el mirall de Webb va ser extret a Utah i purificat a Brush Wellman a Ohio. El tipus particular de beril·li utilitzat en els miralls Webb es diu O-30 i és una pols fina. La pols es va col·locar en un recipient d'acer inoxidable i es va agafar en forma plana. Quan es va retirar el recipient d'acer, el tros resultant de beril·li es va tallar per la meitat per fer dos espais en blanc de mirall d'aproximadament 1,3 metres d'amplada. Cada mirall en blanc es va utilitzar per fer un segment de mirall; el mirall complet està fet de 18 segments hexagonals. 


Clic per engrandir. L'equip de Brush Wellman i els miralls en blanc.

Quan els miralls van passar la inspecció, van ser enviats a Axsys Technologies a Cullman, Alabama. Els dos primers miralls en blanc es van completar el març del 2004.

 Clic per engrandir. El frontal d´un mirall sense polir en blanc.

Axsys Technologies va donar forma als espais en blanc del mirall en la forma final. El procés de conformació del mirall comença amb el tall de la major part de la part posterior del mirall de beril·li en blanc, deixant només una prima estructura de "costella". Les costelles són de només 1 mil·límetre de gruix. Tot i que la major part del metall ha desaparegut, les costelles són suficients per mantenir la forma del segment estable. Això fa que cada segment sigui molt lleuger. Un segment de mirall de beril·li és de 20 quilograms de massa. (Un conjunt de segment de mirall primari complet que inclou el seu actuador és d'aproximadament 40 kg.)

Clic per engrandir. A la foto es mostra la part posterior del mirall en blanc, que està tallada en
aquest patró per fer que el segment del mirall sigui lleuger, però mantenint-ne la integritat.
Crèdit de la imatge: Axsys Technologies

 

Aquesta pel·lícula ens mostra com es fabriquen els miralls a Brush Wellman i se'ls dóna forma a Axsys.

Poliment dels miralls

Quan Axsys va donar forma als segments del mirall, els va enviar a Richmond, CA, on SSG/Tinsley els va polir. 
 
SSG/Tinsley va començar per rectificar la superfície de cada mirall fins a acostar-se a la forma final. Un cop fet això, els miralls es van allisar i van polir amb cura. El procés d'allisat i poliment es va repetir fins que cada segment de mirall va quedar gairebé perfecte. En aquest moment, els segments van viatjar al Centre de Vol Espacial Marshall de la NASA a Huntsville (MSFC), Alabama, per fer proves criogèniques.

Clic per engrandir. Un mirall d'unitat de disseny d'enginyeria polit a SSG/Tinsley.
 
Donat que molts materials canvien de forma quan canvien de temperatura, un equip de proves de Ball Aerospace va col·laborar amb els enginyers de la NASA a la Instal·lació Criogènica i de Raigs X de Marshall (XRCF) per refredar els segments del mirall fins a la temperatura que experimentarà Webb a l'espai profund, -240 graus Celsius.

Les proves criogèniques dels segments del mirall primari van començar al XRCF de Marshall per part de Ball Aerospace el 2009.


Clic per engrandir. Els miralls polits del Webb es proven a temperatures criogèniques en la
instal·lació de NASA l Centre Marshall.

 

Clic per engrandir. Vegeu més imatges de les proves criogèniques fent un clic aquí.

El canvi en la forma dels segments del mirall a causa de l'exposició a aquestes temperatures criogèniques va ser enregistrat per Ball Aerospace Engineers mitjançant un interferòmetre làser. Aquesta informació, juntament amb els miralls, va viatjar de tornada a Califòrnia per al polit final de la superfície a Tinsley. El polit final dels miralls es va completar el juny del 2011.

Aquest breu vídeo mostra part del procés de polit del mirall.

 

Pots triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Descobriu com es poleixen els
segments dels miralls en aquest vídeo podcast "Behind the Webb".

Recobriment d'or

Quan s'ha corregit la forma final d'un segment de mirall per eliminar els efectes de la imatge deguts a les temperatures baixes, i s'ha completat el poliment, s'aplica una fina capa d'or. L'or millora la reflexió de la llum infraroja al mirall. 

Alguns detalls tècnics: Com s'aplica l'or als miralls? La resposta és la deposició de vapor al buit. Quantum Coating Incorporated va realitzar els revestiments dels miralls del nostre telescopi. Bàsicament, els miralls s'introdueixen en una cambra de buit i es vaporitza una petita quantitat d'or que es diposita al mirall. Les zones que no volem recobrir (com la part del darrere i tots els mecanismes i altres) s'emmascaren. El grossor típic de l'or és de 1000 àngstrom (100 nanòmetres). Es diposita una fina capa de SiO2 amorf (vidre) sobre l'or per protegir-lo de les ratllades en cas de manipulació o que les partícules es desplacin per la superfície (l'or és pur i molt tou).


Pots triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Aquest vídeo "Darrera el James Webb", "Behind the Webb" tracta sobre el revestiment dels miralls.Els miralls del telescopi Webb estan recoberts d'una capa d'or finíssima. Aquesta capa d'or, de només unes milionèsimes de polzada de gruix, permet que els miralls reflecteixin millor la llum infraroja que busca el telescopi. Com més fina sigui la capa, millor serà el telescopi, ja que cada pes compta quan un telescopi tan gran com el Webb s'enlaira a l'espai mitjançant un coet. "Behind the Webb" és una sèrie en curs que segueix la construcció del telescopi espacial Webb, el successor del Hubble.


Clic per engrandir. Miralls del telescopi Webb.

Clic per engrandir. Segment del mirall primari de la unitat de disseny d'enginyeria recobert
d'or per Quantum Coating Incorporated. Fotografia de Drew Noel.

Clic per engrandir. El mirall secundari va ser sotmès a un procés similar: aquí és després
de ser recobert d'or per Quantum Coating Incorporated.

 

En aquest vídeo podeu seguir el viatge del mirall des del mineral en brut fins als segments
reflectors precisos i recoberts d'or.

Un cop aplicat el recobriment d'or, els miralls van tornar a viatjar al Centre de Vol Espacial Marshall per a una verificació final de la forma de la superfície del mirall a temperatures criogèniques. Els segments dels miralls ja estaven complets. A continuació, van viatjar al Centre de Vol Espacial Goddard de la NASA a Greenbelt, Maryland.

Els miralls acoblats

Els dos primers miralls de vol van arribar a NASA Goddard al setembre de 2012. A finals de 2013, tots els segments del mirall primari de vol, així com els miralls secundaris i terciaris estarien a Goddard. Els miralls es van emmagatzemar en envasos protectors especials a la sala neta, tot esperant l'arribada de l'estructura de vol del telescopi.


Clic per engrandir. Els enginyers inspeccionen un dels dos primers miralls de vol que arriben
a la NASA Goddard.


Clic per engrandir. Recipients dels miralls de vol emmagatzemats a Goddard.

L'estructura del telescopi de vol (essencialment l'esquelet del telescopi, sobre els que es van muntant els miralls) va ser enviada des de Northrop Grumman i va arribar a NASA Goddard a l'agost de 2015. Es va traslladar al suport de muntatge al novembre de 2015. El 22 de novembre del 2015 s'hi va instal·lar el primer mirall.


Clic per engrandir. Aquí s'aixeca l'estructura de vol del telescopi a la sala blanca de la NASA Goddard. 

 

Clic per engrandir. L'estructura de vol del telescopi es troba al lloc de muntatge de la NASA
Goddard, llesta per al muntatge dels miralls.

Cal tenir en compte que, per protegir els miralls durant el muntatge, es van col·locar unes lleugeres fundes negres, que es van retirar un cop el mirall estava completament muntat.

 Clic per engrandir.

 

 Aquest vídeo en timelapse mostra el muntatge del mirall primari de Webb.

 Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Un vídeo sobre la
finalització del mirall primari de Webb.

L'últim mirall es va instal·lar el febrer del 2016. No gaire després, es van retirar les cobertes protectores i es va revelar el mirall complet.

Els miralls al descobert

Feu clic a les imatges per engrandir-les. 

 

Un cop completats els miralls, es van integrar els instruments científics al telescopi. Durant la seva estada a Goddard, el telescopi també es va sotmetre a proves ambientals, tant acústiques com de vibració, per garantir que pogués suportar els rigors del llançament. Un cop completades amb èxit, el telescopi va ser enviat a la NASA Johnson a Houston, Texas, per fer proves de l'òptica i els instruments a temperatures criogèniques. La Cambra A de la NASA Johnson és l'única cambra de buit tèrmic que té la NASA prou gran per al Webb.

Alineació dels miralls a la Terra i a l'espai  

Quan el telescopi estigui en òrbita, els enginyers a la Terra hauran de fer correccions en la posició dels segments del mirall primari del telescopi Webb per alinear-los, assegurant-se que produeixin imatges nítides i enfocades.

Aquestes correccions es fan mitjançant un procés anomenat detecció i control del front d'ona, que alinea els miralls amb una precisió de desenes de nanòmetres. Durant aquest procés, un sensor de front d'ona (NIRCam en aquest cas) mesura qualsevol imperfecció a l'alineació dels segments del mirall que impedeixi que actuïn com un únic mirall de 6,5 metres (21,3 peus). Els enginyers faran servir la NIRCam per prendre 18 imatges desenfocades d'una estrella, una de cada segment del mirall. A continuació, els enginyers faran servir algoritmes informàtics per determinar la forma general del mirall primari a partir d'aquestes imatges individuals, i per determinar com han de moure els miralls per alinear-los.


Pots triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Aquest vídeo descriu el
procés d'alineació dels miralls.

Els enginyers van provar aquest procés d'alineació a l'entorn criogènic i buit de la Cambra A del Centre Espacial Johnson de la NASA durant uns 100 dies de proves criogèniques. L'entorn de la cambra simula el frígid ambient espacial en què funcionarà el Webb i on recollirà dades de parts de l'univers mai observades abans. Dins la càmera, els enginyers van introduir i van treure llum làser del telescopi, actuant com una font d'estrelles artificials. La prova va verificar que tot el telescopi, incloses les seves òptiques i instruments, funcionava correctament en aquest entorn fred i va garantir que el telescopi funcionarà correctament a l'espai.

El telescopi James Webb a l'interior de la Cambra A després de completar les proves criogèniques.

                  
Un cop superades les proves a la NASA Johnson, Webb i els seus miralls es van traslladar a Northrop Grumman, on el telescopi es va acoblar al para-sol i al bus de la nau espacial.



Ho he vist aquí.