Seřizování zrcadel Webbova teleskopu

Tento týden jsme Vás v krátké zprávě upozornili na povedené video, které přehledně ukázalo, jak probíhá kalibrace primárního zrcadla Dalekohledu Jamese Webba. Dnes se k tomuto mimořádně zajímavému tématu vracíme ve formě velkého článku, jelikož NASA uvolnila zajímavé informace. Dnes se tedy podíváme, jak přesně probíhá seřizování jednotlivých šestiúhelníkových segmentů během pobytu v kryogenní vakuové komoře na Johnsonově středisku v Houstonu. Cílem je, aby se segmentované primární zrcadlo chovalo stejně jako monolitický díl o průměru šest a půl metru.

Zkoušky, které v této komoře probíhají jsou komplexní a seřizování (též označované jako fázování) 18 šestiúhelníkových segmentů tvoří jen část úkolů. Všechny tyto díly musí odrážet světlo tak, jak mají. Aby byly snímky z teleskopu kvalitní, musí být segmenty zrcadla správně umístěné a musí mít správné prohnutí.

Všechny zrcadla Dalekohledu Jamese Webba - kromě 18 segmentů centrálního zrcadla je tu zrcadlo sekundární, terciární a jemně řízené.

Všechny zrcadla Dalekohledu Jamese Webba – kromě 18 segmentů centrálního zrcadla je tu zrcadlo sekundární, terciární a jemně řízené.
Zdroj: https://jwst.nasa.gov

K měření tvaru primárního zrcadla Dalekohledu Jamese Webba používají inženýři interferometr, který vysílá k zrcadlu laserový paprsek. Jelikož je zrcadlo segmentované, je k jeho kontrole zapotřebí speciální interferometr označovaný jako interferometr s více vlnovými délkami (multi-wavelength interferometer). Ten totiž umožňuje inženýrům použít najednou dva paprsky.

Interferometr rozdělí světlo laseru do dvou samostatných paprsků – jeden projde soustavou čoček a odrazí se k primárnímu zrcadlu, zatímco druhý slouží jako referenční (srovnávací) člen. Odražený paprsek interferuje s tím referenčním a inženýři analyzují světelnou vlnu, která vznikla touto interferencí, čímž získají přehled o tvaru a vzájemné poloze zrcadel.

S jednotlivými segmenty je ale často potřeba pohnout – někdy se musí posunout na správné místo, jindy je zase potřeba na ně zatlačit, aby se prohnuly správným směrem. Ve spodní části každého segmentu proto najdeme sedm aktuátorů, které mají na starost pohnout se segmentem tak, aby byl v ideální poloze. Na každém segmentu je šest těchto aktuátorů (což jsou vlastně jen drobné motory) rozmístěno po dvojicích na třech místech po obvodu segmentu ve shodných vzdálenostech od středu – ty se starají o polohu zrcadla v prostoru. Jeden aktuátor je pak připojen k šesti ramenům, z nichž každé se připojuje k jednomu ze šesti rohů – tento aktuátor má na starost seřizování tvaru segmentu.

Aktuátory na každém segmentu jsou schopné provádět extrémně jemné pohyby. Jen díky tomu je možné dosáhnout mimořádné přesnosti při kalibrování primárního zrcadla. „Pracují po krocích, které tvoří zlomky vlnové délky světla, nebo 1/10 000 průměru lidského vlasu,“ popisuje Lee Feinberg, manažer optických dílů teleskopu z Goddardova střediska.

Infografika popisující aktuátory na zadní straně segmentů primárního zrcadla JWST.

Infografika popisující aktuátory na zadní straně segmentů primárního zrcadla JWST.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Aktuátory (též zvané akční členy) dokáží velmi jemně upravit tvar zrcadla, čímž zajistí, že k sobě všechny segmenty dokonale sednou. Schopnost provádět tyto korekce je pro JWST klíčová, protože při startu bude jeho zrcadlo rozdělené do tří částí – centrální a dvou krajních. Teprve až ve vesmíru se obě krajní křídla sklopí a zrcadlo bude kompletní. Aktuální zkoušky v komoře tedy mají prokázat, že aktuátory budou mít ve vesmíru dostatečný rozsah pohybů. Jejich teplota bude jen okolo 40 Kelvinů, což jsou podmínky, které zažívají i v komoře A. Pokud tedy zvládnou zkalibrovat zrcadlo v komoře, poradí si s tím i ve vesmíru.

Jakmile jsou segmenty zrcadla správně srovnaná, mohou inženýři začít se zkouškami Webbovy optiky. K tomu jim poslouží zařízení zvané ASPA, což je zkratka z „AOS Source Plate Assembly“. ASPA je testovací hardware, který sedí nad Webbovým spodním optickým subsystémem (Aft Optics Subsystem – AOS) a vysílá testovací laserové paprsky, čímž vytváří zdroje světla – jakési umělé hvězdy. Samotný systém AOS obsahuje terciární a jemně řízená zrcadla.

Umělecká představa odrazu světla od primárního a sekundárního zrcadla.

Umělecká představa odrazu světla od primárního a sekundárního zrcadla.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Testy obsahují i zkoušku zvanou half-pass, tedy něco jako poloviční průchod. ASPA při něm pošle laserový paprsek přímo do AOS, kde se odrazí od terciárního a jemně řízeného zrcadla ke čtyřem vědeckým přístrojům, které jsou umístěné přímo za primárním zrcadlem. Tahle zkouška inženýrům umožní provést měření optiky uvnitř AOS, čímž ověří, že nepohyblivé terciární zrcadlo je vůči ostatním optickým členům správně orientováno. A proč je tato zkouška označována jako „poloviční průchod“? Je to prosté – při běžném provozu se světlo nejprve odrazí od primárního, pak od sekundárního zrcadla a až pak dospěje k tomu terciárnímu. Při této zkoušce je však první polovina této cesty vynechána a začíná se až u terciárního zrcadla.

Další část testu se nazývá “pass-and-a-half”, tedy něco jako průchod a půl. Při něm světlo cestuje optikou teleskopu opačnou cestou. Zdrojem je opět ASPA, ale tentokrát míří k sekundárnímu zrcadlu. To paprsek odrazí k zrcadlu primárnímu, od kterého se odrazí ke stropu kryokomory. Zde umístěná zrcadla pošlou paprsek zpátky k teleskopu a od této chvíle už světlo prochází tradiční cestou až k vědeckým přístrojům. Oproti provozu ve vesmíru je u této zkoušky jeden rozdíl – světlo tu ještě cestou k přístrojům projde oklikou přes ASPA.

„Díky tomuto procesu budeme moci nejen zkontrolovat samotné zarovnání segmentů primárního zrcadla, ale i zarovnání všech optických členů celého teleskopu – primární zrcadlo, sekundární zrcadlo, terciární zrcadlo i jemně řízeného zrcadla uvnitř AOS,“ líčí Paul Geithner, zástupce technického ředitele Webbova teleskopu z Goddardova střediska a dodává: „Díky zkouškám half-pass a pass-and-a-half si ověříme, že všechno je ve správné poloze vůči všemu ostatnímu.“ ASPA samozřejmě nebude součástí teleskopu – jde jen o pozemní testovací vybavení, které bude odstraněno po dokončení kryogenních zkoušek.

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/lights_out_.jpg
https://jwst.nasa.gov/images3/mirrors.jpg
https://www.nasa.gov/…/image/mirror_segment_backing_ball_aero.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/webb_reflected_light.jpg

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

27 komentářů ke článku “Seřizování zrcadel Webbova teleskopu”

  1. Aurelius napsal:

    bude to offtopic, ale mňa ako vedca WEBB doslova desí… vnútorne… myslím tým jeho štart a rozloženie, nesmierne… desí ma to, že sa naň až strašne „teším“ a mám vnútorný strach aby sa tejto doslova vlajkovej lodi vesmírneho výskumu nič nestalo… už nech je v Lku a je rozložený… prial by som si časový skok do doby keď je všetko ok, jasné super, funguje…, pretože ak budem sledovať štart a ďalšie veci…, „budem si hrýzť nechty na rukách“… 🙂

  2. Spytihněv napsal:

    „Aktuátory jsou vlastně drobné motory, pracující po krocích, které tvoří zlomky vlnové délky světla, nebo 1/10 000 průměru lidského vlasu.“

    Pro mě zcela nepochopitelné a neuchopitelné a navíc si nedokážu představit mechanismus takto jemného ovládání těch aktuátorů. Ale budí to ve mně důvěru, že výsledek jejich práce ve vesmíru bude za jedna.

  3. Kamil napsal:

    Takže se nemůže stát chyba alá HST? Která by tentokrát byla neopravitelná? Vlastně se s chybou zrcadla počítá a dalekohled má mechanismus adaptivní optiky na opravu?

    • GaGaGa napsal:

      Staré chyby se neopakují. Přichází místo nich zcela nové! Zcela vážně – dovedeš si představit, že by po tom průseru s Hubblem někdo dopustil vadnou nebo nekorigovatelnou optiku? Taky je ale ve mně malá dušička, podobně jako v pánech výše.

      • ventYl napsal:

        Nemyslim si, ze tento zlozity mechanizmus je tam preto, ze optika na Hubbleovi bola vyrobena nepresne. Skor je to nutnost, lebo zrkadlo na webbovi sa bude skladat a panty maju urcite volu vacsiu ako vlnova dlzka. Takze nepojde ani tak o nastavenie uhla ako skor o zrovnania „do roviny“.

        • Mirek napsal:

          Prakticky všechny velké moderní astronomické teleskopy, včetně těch pozemních, mají systém korekce tvaru primárního zrcadla. Když se připravoval HST, tak tyhle technologie ještě nebyly běžné. Dnes je to už při současných typických rozměrech primárních zrcadel a nevyhnutelných nerovnoměrnostech v teplotách a mechanických vlivech naprostá nutnost i u pozemních teleskopů. A 6,5 m u JWST už je set sakra velké primární zrcadlo. Segmentová zrcadla a systémy aktivní optiky jsou věci už desítky let používané a odzkoušené, tak snad pokud mají u každého prvku zálohy, tak nehrozí fatální problémy.

  4. Adam napsal:

    Takže jestli jsem to dobře pochopil, celý beryliový blok dokáže měnit tvar?

  5. hansnasa napsal:

    Taky mne jímá hrůza co všechno se může na takovém složitém teleskopu pokazit.Jen mne napadlo,že i ty speciální přístroje na kontrolu optiky a celého dalekohledu musí být pěkně drahé.To vše se promítá do brutální ceny teleskopu.Už teď držím palce.

  6. Alois napsal:

    Právě pro inovace je NASA na špici kosmonautiky. Pohlédneme-li zpět do historie NASA nikdy neopakovala mise . Každá další byla vždy náročnější, složitější a zdánlivě riskantnější. Přešlapováním na místě pomocí “ osvědčených“ a tím pádem spolehlivých konstrukcí se vývoj kupředu nepohne, ba právě naopak.

    • ventYl napsal:

      Ale ved to mi pride ako samozrejmost. NASA je z principu na to, aby skusala nove veci, nie robila dookola to iste. Nemyslim, ze by nejaka ina velka kozmicka agentura opakovala dookola to iste, pokial jej prvy pokus priniesol vsetky pozadovane odpovede.

      • Alois napsal:

        Měl jsem na mysli právě mise, které nepřinesly nejen odpovědí, ale byly neúspěšné. Příkladně dvě tříčlenné série Pioneerů které měly být družicemi Měsíce , nebo série sond Ranger 3-5, které měly dopravit na Měsíc “ mluvící míče “ typu Luna 9.
        Pokud by “ tvrdohlavě “ nebo v touze po pochybném prvenství tyto série pokračovaly, nepochybně by později, třeba v devátém pokusu dosáhli úspěchu.
        Kladně, pro pokrok, hodnotím to, že místo toho NASA stavěla pokročilejší konstrukce / Lunar Orbiter a Surveyor / a  dosáhla výsledků pokročilejších o několik tříd v kvalitě i kvantitě.

        • ventYl napsal:

          Pokial (interplanetarna) misia nezlyha skor ako pred vstupom na preletovu drahu, tak aj neuspech misie nejake odpovede da. Ak uz ziadnu ine, tak aspon ze predpoklady boli chybne. Osobne za taky etalon (a kontrapriklad tvojho tvrdenia) povazujem misie Venera. Na zaciatku sa kapsle planovali (ak sa dobre pamatam) na povrchovy tlak 4 bar a teplotu vyssiu ako 100 stupnov. A trvalo 10 misii, nez sa podarilo na povrchu pristat. Ano bolo to tvrdohlave opakovanie misie, ale sondy sa od seba lisili. Kazdy neuspech bol casom zapracovany do designu sondy. Neviem ci v tomto pripade sa to moze brat ako „zavod o Venusu“ pretoze rusi prakticky nemali s kym zavodit, skor slo o to, ze podmienky su tam tak extremne, ze bolo technologicky prinosne tu sondu dostat na povrch aj keby co bolo.

  7. Tomáš Vodička napsal:

    Díky za parádní a velmi zajímavý článek.
    JWST je každopádně naprosto fascinující kus techniky a pokud se vše povede, jeho výsledky budou ještě úžasnější.

    Ještě si dovolím komentář k příspěvku Mirka z 11:24:
    Adaptivní optika se používá u pozemních teleskopů především kvůli kompenzaci vlivů atmosféry. Ve vesmíru to není potřeba, pokud se nepletu, současné vesmírné teleskopy proto adaptivní optiku nemají.
    JWST má tuto technologii asi hlavně kvůli rozkládací konstrukci.
    Takže je to docela průkopnické řešení, protože ty aktuátory budou muset spolehlivě pracovat v náročných podmínkách vesmírného prostředí.

    Mimochodem, pro zajímavost: na jeden z hlavních teleskopů VLT byla namontována adaptivní optika zhruba před měsícem.
    https://www.eso.org/public/czechrepublic/news/eso1724/

    • Mirek napsal:

      Díky za reakci. Tady je nutné rozlišovat mezi adaptivní a aktivní optikou. Obě technologie se u moderních pozemských teleskopů používají běžně, jsou podobné a často se pletou. Podle popisu to vypadá, že v tomto případě se jedná o aktivní optiku, tedy vyrovnání fyzikálních vlivů působících přímo na teleskop. U JWST to bude asi nepřesnost případného rozložení zrcadel, teplotní nerovnoměrnosti, nějaká zrychlení případně působící na oběžné dráze apod. V tomhle případě se korekce provádějí s poměrně malou frekvencí.

      Naopak u adaptivní optiky se jedná hlavně o vyrovnávání vlivu neklidné atmosféry vysoko nad teleskopem a tyto korekce se provádějí s mnohem vyšší frekvencí (řádově milisekundy) a koriguje se, jak se ty vzduchové masy neustále vlní. Toto u JWST odpadá. Tam bude stačit občasná úprava, podle toho, jak se mění fyzikální podmínky působící na obíhající teleskop.

      • Petr Scheirich napsal:

        Ještě bych doplnil, že narozdíl od aktivní optiky, kdy se upravuje tvar celého primárního zrcadla (žádný z dnešních velkých dalekohledů se bez ní neobejde), adaptivní optika deformuje pouze menší pružné zrcadlo, které je až jedním z dalších optických členů.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.