Minulý týden začal tři měsíce trvající proces superjemného zarovnávání šestiúhelníkových segmentů, které tvoří primární zrcadlo Dalekohledu Jamese Webba. Členové pozemního týmu se také dočkali prvních snímků vykreslených fotony, které prošly  celou optickou sestavou teleskopu a byly zachyceny přístrojem NIRCam (Near Infrared Camera). Tento milník představuje první důležitý krok k tomu, aby mohl teleskop pořizovat snímky, které jsou zatím nezaostřené. Pozemní tým tyto na první pohled nekvalitní snímky využije k tomu, aby pomalu a velmi jemně vyladil celý teleskop. Jsme tedy na samotném začátku tohoto procesu, ale odborníky těší, že dosavadní výsledky odpovídají očekáváním a simulacím. Tento článek, který popíše celý složitý a dlouhotrvající proces, vznikl překladem originálního článku, jehož autoři jsou ti nejpovolanější – Scott Acton a Chanda Walker z firmy Ball Aerospace, kteří mají na starost řízení optických ploch a Lee Feinberg, který zodpovídá za optické prvky Webbova teleskopu.

Tým inženýrů a vědců z Ball Aerospace, Space Telescope Science Institute a Goddardova střediska nyní využívají data získaná přístrojem NIRCam k postupnému zarovnání optických prvků. Experti vypracovali a také vyzkoušeli algoritmy, které prověřili na modelu v šestinové velikosti. Podařilo se jim opakovanými testy nasimulovat a nacvičit celý proces, který je nyní připraven k ostrému nasazení na JWST. Celý komplexní postup můžeme rozdělit do sedmi základních kroků, které se budou odehrávat v dalších třech měsících. Vše má vést k plně zarovnané optice teleskopu, která bude připravena na přechod vědeckých přístrojů do služby. Snímky, které budou při tomto procesu pořízeny nebudou na pohled hezké. Nepůjde o žádné nové pohledy do hlubokého vesmíru, které nám JWST přinese v ostrém provozu. Úkolem těchto snímků je posloužit přípravě observatoře na vědeckou fázi.

Aby primární zrcadlo fungovalo jako jeden celek, musí se 18 segmentů, které jej tvoří srovnat vůči sobě navzájem s přesností tak vysokou, že povolená tolerance činí zlomek vlnové délky světla – konkrétně 50 nanometrů. Abychom si to lépe představili – pokud bychom zvětšili primární zrcadlo na rozměry Spojených států amerických, pak by měl každý segment velikost zhruba státu Texas. V takovém případě by bylo potřeba segmenty srovnat výškově s přesností na necelé 4 centimetry!

Poté, co došlo k prvotnímu vysunutí zrcadlových segmentů a aktivování vědeckých přístrojů, mohl tým zahájit první z řady kroků potřebných k přípravě a kalibraci teleskopu, aby mohl dělat, svou práci. Proces postupného aktivování JWST potrvá mnohem déle než u předešlých teleskopů, protože jeho primární zrcadlo tvoří 18 individuálních segmentů, které musí společně fungovat jako vysoce přesný optický povrch. Kroky, které tvoří celý proces, jsou:

1. Identifikace snímků segmentů
2. Zarovnání segmentů
3. Skládání snímků
4. Hrubá fázování
5. Jemné fázování
6. Zarovnání teleskopu nad zorné pole přístrojů
7. Iterace zarovnání pro finální korekci

1) Identifikace snímků segmentů

Ze všeho nejdříve potřebujeme zarovnat teleskop vůči zbytku observatoře. Ta je schopna mimořádně přesně určovat a následně udržovat svou orientaci, k čemuž se využívají takzvané sledovače hvězd. Je to v podstatě takový systém GPS pro kosmické sondy (pozn. překl. v původním článku chybí zmínka o silových setrvačnících, které se postarají o udržování požadované orientace). Zpočátku pozice observatoře pohledem sledovačů hvězd neodpovídá pozici jednotlivých zrcadlových segmentů.

Experti zaměřili teleskop na jasnou hvězdu HD 84406 v souhvězdí Velké medvědice, v jejímž okolí nejsou žádné výrazné hvězdy. Po zaměření se pořídí série snímků, které budou spojeny do jednoho, čímž vznikne snímek požadované části oblohy. Ovšem nezapomínejme, že JWST nemá jedno zrcadlo, které by se dívalo na hvězdu – je tu 18 zrcadlových segmentů a každý z nich je zpočátku lehce nakloněný k různým jiným částem oblohy. Výsledkem tedy je, že snímek zachytí 18 kopií té samé hvězdy, které vůči sobě budou lehce posunuté. Každá kopie navíc bude neostrá a jedinečným způsobem deformovaná. Experti tyto prvotní kopie hvězd označují jako „snímky segmentů“. Ve skutečnosti, podle závislosti na počáteční pozici zrcadel, může být zapotřebí několika iterací, aby se na jednom snímku podařilo lokalizovat všech 18 „snímků segmentů“.

Odborníci budou pohybovat segmenty jedním po druhém, aby určili, který segment vyváří kterou kopii hvězdy. Poté, co budou jednotlivým segmentům přiřazeny jejich snímky, bude možné zahájit naklánění segmentů, aby se jejich snímky sešly blízko společného bodu pro další analýzu. Toto uspořádání experti označují jako „pole snímků“.

2) Zarovnání segmentů

Jakmile vznikne „pole snímků“, bude možné přikročit k zarovnání segmentů., což povede ke korekci většiny chyb v usazení zrcadlových segmentů. Začneme rozostřením snímků segmentů tím, že lehce pohneme sekundárním zrcadlem. Na tyto rozostřené snímky aplikujeme matematickou analýzu označovanou jako Phase Retrieval (Fázové vyhledávání), abychom určili přesné chyby v umístění segmentů. Následné korekce pozice těchto segmentů povedou k tomu, že budeme mít 18 správně zkorigovaných „teleskopů“. Ovšem stále půjde jen o jednotlivé segmenty, které nebudou společně fungovat jako jedno zrcadlo.

3) Skládání snímků

Aby se veškeré světlo sešlo na jednom místě, musí se všechny snímky segmentů složit na sebe. V tomto kroku posunou experti jednotlivé snímky segmentů tak, aby se přesně sešly ve středu zorného pole, což vytvoří jeden spojený snímek. Tento krok je přípravou teleskopu na následující krok hrubého fázování. Samotné skládání snímků probíhá postupně ve třech skupinách. Segmenty jsou rozděleny do kategorií označených A, B a C.

4) Hrubé fázování

Ačkoliv předešlý krok posunul všechno světlo na jedno místo detektoru, jednotlivé segmenty stále fungují jako 18 malých teleskopů a ne jako jeden velký. Segmenty totiž musí být vůči sobě zarovnány s přesností menší, než je vlnová délka světla.

Třikrát během aktivační fáze provedené hrubé fázování změří a zkoriguje vertikální posun (pístový rozdíl) zrcadlových segmentů. S pomocí technologie označované jako Dispersed Fringe Sensing (rozptýlené snímání okrajů) se využije přístroj NIRCam, který zachytí světelná spektra 20 různých dvojic zrcadlových segmentů. Zachycené spektrum bude připomínat vzor, který v zahraničí označuje holičství. Jde o válec, po jehož obvodu stoupají vzhůru čáry. Jejich úhel bude určen rozdílem pístů dvou segmentů tvořících dvojici.

5) Jemné fázování

Tento krok proběhne také třikrát – pokaždé to bude hned po předešlém hrubém fázování. Tento krok se bude opakovat i poté, co budou zrcadla srovnána. Počítá se s jeho průběžným opakováním po celou dobu životnosti teleskopu. V rámci tohoto kroku proběhnou měření a korekce zbývajících chyb zarovnání s využitím stejné rozostřovací metody, která se použila při kroku 2 (zarovnání segmentů). Tentokrát však nebude v akci sekundární zrcadlo. Místo toho se použije speciální optický prvek v útrobách vědeckého přístroje. Ten je schopen nastavení různé úrovně rozostření pro každý snímek (-8, -4, +4, a +8 vln rozostření).

6) Zarovnání teleskopu nad zorné pole přístrojů

Po jemném fázování bude teleskop správně zarovnán pro jedno místo v zorném poli přístroje NIRCam. Nyní je potřeba rozšířit toto zarovnání na zbytek přístrojů. V této fázi procesu postupné aktivace budou probíhat měření na různých místech označovaných jako body polí napříč všemi vědeckými přístroji, jak ukazuje přiložený obrázek. Více variací v intenzitě naznačuje větší chyby v tomto bodě pole. Speciální algoritmus vypočítá závěrečné korekce potřebné k dosažení správně zarovnaného teleskopu na všech vědeckých přístrojích.

7) Iterace zarovnání pro finální korekci

Poté, co proběhne korekce podle zorného pole, bude posledním zbývajícím důležitým krokem odstranění jakékoliv malé zbývající chyby zarovnání segmentů primárního zrcadla. Proběhnou proto měření a následné korekce s využitím postupů popsaných v bodě 5 (jemné fázování). Poté experti provedou závěrečnou kontrolu kvality snímků na všech vědeckých přístrojích. Jakmile bude toto ověřeno, bude proces řízeného sjednocení optického povrchu dokončen.

Není vyloučeno, že přitom, jak budou odborníci procházet výše uvedenými sedmi kroky, se objeví potřeba provést také úpravy předchozích kroků. Celý proces je proto značně flexibilní a modulární, takže umožňuje tyto průběžné iterace. Po zhruba třech měsících zarovnávání teleskopu, budou experti schopni přikročit k postupnému uvádění samotných vědeckých přístrojů do provozu.

Přeloženo z:
https://blogs.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/20-0304-m8-jm-jwst-1st-shift-8713_approved_ng20-0765.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mirror_segment_backing_ball_aero.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-1-Visual-Sim.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-2-Sim-1.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-2-Sim-2.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Segments.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-3-Sim-1024×289.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-4-Sim-768×429.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-5-Sim.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/02/Step-6-Sim-1024×408.jpg