Espejos Webb/NASA

Espejo principal del telescopio espacial James Webb en NASA Goddard. El espejo secundario es el espejo redondo ubicado al final de los brazos largos, que se pliegan en su configuración de lanzamiento. Los espejos de Webb están cubiertos por una capa de oro microscópicamente delgada, lo que los optimiza para reflejar la luz infrarroja, que es la principal longitud de onda de la luz que observa este telescopio. Foto: NASA/Chris Gunn

Uno de los objetivos científicos del telescopio espacial James Webb es mirar atrás en el tiempo, cuando las galaxias eran jóvenes. Webb hace esto al observar galaxias que están muy distantes, a más de 13 mil millones de años luz de nosotros. Para ver objetos tan distantes y tenues, Webb necesita un espejo grande. La sensibilidad de un telescopio, o cuánto detalle puede ver, está directamente relacionada con el tamaño del área del espejo que recoge la luz de los objetos observados. Un área más grande recoge más luz, al igual que un balde más grande recoge más agua en una ducha de lluvia que uno pequeño.

Los científicos e ingenieros del Telescopio Webb determinaron que lo que se necesitaba para medir la luz de estas galaxias distantes era un espejo primario de 6,5 metros (21 pies y 4 pulgadas) de ancho. Construir un espejo tan grande fue un desafío, incluso para usarlo en el suelo. ¡Nunca antes se había lanzado al espacio un espejo tan grande!

Si el espejo de 2,4 metros del telescopio espacial Hubble se escalara para que fuera lo suficientemente grande para Webb, sería demasiado pesado para ponerlo en órbita. El equipo de Webb tuvo que encontrar nuevas formas de construir el espejo para que fuera lo suficientemente liviano, solo una décima parte de la masa del espejo del Hubble por unidad de área, pero muy fuerte.

El equipo del Telescopio Webb decidió fabricar los segmentos del espejo con berilio, que es resistente y ligero. Cada segmento pesa aproximadamente 20 kilogramos (46 libras).

El equipo del Telescopio Webb también decidióconstruir el espejo en segmentos sobre una estructura que se pliega , como las hojas de una mesa abatible, para que quepa en un cohete. El espejo se desplegaría después del lanzamiento. Cada uno de los 18 segmentos de espejo de forma hexagonal tiene 1,32 metros (4,3 pies) de diámetro, plano a plano. (El espejo secundario de Webb tiene 0,74 metros de diámetro).

La forma hexagonal permite un espejo segmentado más o menos circular con "alto factor de relleno y simetría de seis veces". Un alto factor de llenado significa que los segmentos encajan entre sí sin espacios. Si los segmentos fueran circulares, habría espacios entre ellos. La simetría es buena porque solo se necesitan 3 prescripciones ópticas diferentes para 18 segmentos, 6 de cada uno (ver diagrama arriba a la derecha). Finalmente, se desea una forma general de espejo más o menos circular porque enfoca la luz en la región más compacta de los detectores. Un espejo ovalado, por ejemplo, daría imágenes alargadas en una dirección. Un espejo cuadrado enviaría mucha luz fuera de la región central.

Cada uno de los espejos de Webb tiene una designación individual. A, B o C indica cuál de las tres prescripciones de espejo es un segmento. ¡Las fotos muestran la versión de vuelo de cada espejo del telescopio!

Una vez en el espacio, lograr que estos espejos enfoquen correctamente las galaxias lejanas es otro desafío. Los actuadores, o diminutos motores mecánicos, brindan la respuesta para lograr un único enfoque perfecto. Los segmentos del espejo primario y el espejo secundario son movidos por seis actuadores que están unidos a la parte posterior de cada pieza del espejo. Los segmentos del espejo primario también tienen un actuador adicional en su centro que ajusta su curvatura. El espejo terciario del telescopio permanece estacionario.

Lee Feinberg, director de elementos del telescopio óptico Webb en NASA Goddard, explica: "Alinear los segmentos del espejo principal como si fueran un solo espejo grande significa que cada espejo está alineado en 1/10 000 del grosor de un cabello humano. Lo que es aún más sorprendente es que los ingenieros y científicos que trabajan en el telescopio Webb literalmente tuvieron que inventar cómo hacer esto".

Estos diagramas muestran la parte posterior de los espejos y los actuadores. Crédito: ASU/NASA

Mire cómo se conectan los actuadores a la parte posterior de un espejo telescópico en este video "Behind the Webb".

Otro desafío es mantener frío el espejo de Webb. Para ver las primeras estrellas y galaxias en el Universo primitivo, los astrónomos deben observar la luz infrarroja que emiten y utilizar un telescopio e instrumentos optimizados para esta luz. Debido a que los objetos cálidos emiten luz infrarroja, o calor, si el espejo de Webb tuviera la misma temperatura que el del telescopio espacial Hubble, la tenue luz infrarroja de las galaxias distantes se perdería en el brillo infrarrojo del espejo. Por lo tanto, Webb debe estar muy frío ("criogénico"), con sus espejos a alrededor de -220 grados C (-364 grados F). El espejo en su conjunto debe ser capaz de soportar temperaturas muy frías y mantener su forma.

Para mantener frío a Webb, fue enviado al espacio profundo, lejos de la Tierra. Los parasoles protegen los espejos y los instrumentos del calor del Sol, y los mantienen separados del cálido autobús de la nave espacial.

Webb es lo que se conoce como un telescopio anastigmático de tres espejos. En esta configuración, el espejo primario es cóncavo, el secundario es convexo y funciona ligeramente fuera del eje. El terciario elimina el astigmatismo resultante y también aplana el plano focal. Esto también permite un campo de visión más amplio.

Esta animación muestra cómo viaja la luz a través del telescopio.

La NASA se dispuso a investigar nuevas formas de construir espejos para telescopios. El programa Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) fue una asociación de cuatro años entre la NASA, la Oficina Nacional de Reconocimiento y la Fuerza Aérea de los EE. UU. para estudiar formas de construir espejos livianos. Sobre la base de los estudios de ASMD, se construyeron y probaron por completo dos espejos de prueba. Uno fue hecho de berilio por Ball Aerospace; el otro fue construido por Kodak (anteriormente ITT, ahora Harris Corporation) y estaba hecho de un tipo especial de vidrio.

Se seleccionó un equipo de expertos para probar ambos espejos, para determinar qué tan bien funcionaban, cuánto costaban y qué tan fácil (o difícil) sería construir un espejo de tamaño completo de 6,5 metros. Los expertos recomendaron que se seleccionara el espejo de berilio para el telescopio espacial James Webb, por varias razones, una de las cuales es que el berilio mantiene su forma a temperaturas criogénicas. Basado en la recomendación del equipo de expertos, Northrop Grumman (la compañía que lideró el esfuerzo para construir Webb) seleccionó un espejo de berilio, y la gerencia del proyecto en NASA Goddard aprobó esta decisión.

Una pieza de berilio del tamaño de una canica.

El berilio es un metal ligero (símbolo atómico: Be) que tiene muchas características que lo hacen deseable para el espejo primario de Webb. En particular, el berilio es muy fuerte para su peso y es bueno para mantener su forma en un rango de temperaturas. El berilio es un buen conductor de la electricidad y el calor, y no es magnético.

Debido a que es liviano y fuerte, el berilio se usa a menudo para construir piezas para aviones supersónicos (más rápidos que la velocidad del sonido) y el transbordador espacial. También se utiliza en aplicaciones más realistas, como resortes y herramientas. Se debe tener especial cuidado cuando se trabaja con berilio, porque no es saludable respirar o tragar el polvo de berilio.

Los 18 espejos ligeros especiales de berilio del Telescopio Espacial James Webb hicieron 14 paradas en 11 lugares diferentes alrededor de los EE. UU. para completar su fabricación. Cobraron vida en las minas de berilio en Utah y luego se trasladaron por todo el país para su procesamiento y pulido. De hecho, los espejos hicieron paradas en ocho estados a lo largo del camino, visitando algunos estados más de una vez, antes de viajar a América del Sur para el despegue y el comienzo de su viaje final al espacio. Explore un mapa interactivo que muestra el viaje de los espejos.

El equipo de Brush Wellman y los espejos en blanco.

El berilio para hacer el espejo de Webb se extrajo en Utah y se purificó en Brush Wellman en Ohio. El tipo particular de berilio utilizado en los espejos Webb se llama O-30 y es un polvo fino. El polvo se colocó en un recipiente de acero inoxidable y se prensó hasta darle una forma plana. Una vez que se retiró el recipiente de acero, el trozo de berilio resultante se cortó por la mitad para hacer dos espejos en blanco de aproximadamente 1,3 metros (4 pies) de ancho. Cada espejo en blanco se usó para hacer un segmento de espejo; el espejo completo está hecho de 18 segmentos hexagonales.

Una vez que los espejos en blanco pasaron la inspección, se enviaron a Axsys Technologies en Cullman, Alabama. Los dos primeros espacios en blanco del espejo se completaron en marzo de 2004.

El frente de un espejo en blanco sin pulir.

Axsys Technologies dio forma a los espacios en blanco del espejo en su forma final. El proceso de dar forma al espejo comienza con el corte de la mayor parte de la parte posterior del espejo de berilio en blanco, dejando solo una estructura delgada de "nervadura". Las costillas tienen solo alrededor de 1 milímetro (alrededor de 1/25 de pulgada) de grosor. Aunque la mayor parte del metal se ha ido, las nervaduras son suficientes para mantener estable la forma del segmento. Esto hace que cada segmento sea muy ligero. Un segmento de espejo de berilio tiene una masa de 20 kilogramos. (Un conjunto de segmento de espejo primario completo, incluido su actuador, pesa aproximadamente 40 kg).

En la imagen se muestra la parte posterior del espejo en blanco, que está tallada en este patrón para hacer que el segmento del espejo sea liviano y, al mismo tiempo, mantenga su integridad. Crédito: Tecnologías Axsys

Esta película muestra los espacios en blanco de los espejos que se fabrican en Brush Wellman y se les da forma en Axsys.

Una vez que Axsys dio forma a los segmentos del espejo, se enviaron a Richmond, CA, donde SSG/Tinsley los pulieron.

Un espejo pulido de la unidad de diseño de ingeniería en SSG/Tinsley.

SSG/Tinsley comenzó puliendo la superficie de cada espejo hasta llegar a su forma final. Una vez hecho esto, los espejos se alisaron y pulieron cuidadosamente. El proceso de alisado y pulido se repitió hasta que cada segmento del espejo quedó casi perfecto. En ese momento, los segmentos viajaron al Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville (MSFC), Alabama, para realizar pruebas criogénicas.

Dado que muchos materiales cambian de forma cuando cambian de temperatura, un equipo de prueba de Ball Aerospace trabajó junto con ingenieros de la NASA en la instalación criogénica y de rayos X de Marshall (XRCF) para enfriar los segmentos del espejo a la temperatura que experimenta Webb en el espacio profundo, -400 grados Fahrenheit (-240 grados Celsius).

Las pruebas criogénicas de los segmentos del espejo primario comenzaron en el XRCF de Marshall por Ball Aerospace en 2009.

Los espejos pulidos de Webb se prueban a temperaturas criogénicas en una instalación de NASA Marshall.

Vea más imágenes de las pruebas criogénicas.

Ball Aerospace Engineers registró el cambio en la forma del segmento del espejo debido a la exposición a estas temperaturas criogénicas utilizando un interferómetro láser. Esta información, junto con los espejos, viajó de regreso a California para el pulido final de la superficie en Tinsley. El pulido final de los espejos se completó en junio de 2011.

Este breve video muestra parte del proceso de pulido espejo.

Obtenga más información sobre cómo se pulen los segmentos del espejo en este podcast de video "Behind the Webb".

Una vez que se corrige la forma final de un segmento de espejo por cualquier efecto de imagen debido a las bajas temperaturas, y se completa el pulido, se aplica una fina capa de oro. El oro mejora el reflejo del espejo de la luz infrarroja.

Algunos detalles técnicos : ¿Cómo se aplica el oro a los espejos? La respuesta es la deposición de vapor al vacío. Quantum Coating Incorporated realizó los revestimientos de los espejos de nuestros telescopios. Esencialmente, los espejos se colocan dentro de una cámara de vacío y una pequeña cantidad de oro se vaporiza y se deposita en el espejo. Las áreas que no queremos recubrir (como la parte trasera y todos los mecanismos y demás) están enmascaradas. El grosor típico del oro es de 1000 Angstroms (100 nanómetros). Una fina capa de SiO2 amorfo (vidrio) se deposita sobre el oro para protegerlo de arañazos en caso de manipulación o si las partículas entran en la superficie y se mueven (el oro es puro y muy suave).

Este video de Behind the Webb trata sobre el revestimiento de espejos.

Fotos de los espejos de Webb.

El segmento del espejo primario de la unidad de diseño de ingeniería (repuesto de vuelo) revestido en oro por Quantum Coating Incorporated. Foto de Drew Noel.

El espejo secundario pasó por un proceso similar: aquí está después de haber sido recubierto de oro por Quantum Coating Incorporated.

En este video, puede seguir el viaje del espejo desde el mineral en bruto hasta los segmentos recubiertos de oro que reflejan con precisión.

Después de que se aplicó el revestimiento de oro, los espejos viajaron una vez más de regreso al Marshall Space Flight Center para una verificación final de la forma de la superficie del espejo a temperaturas criogénicas. Los segmentos del espejo ahora estaban completos. A continuación, viajaron al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Los dos primeros espejos de vuelo llegaron a Goddard de la NASA en septiembre de 2012. Para fines de 2013, todos los segmentos de espejos primarios de vuelo, así como los espejos secundarios y terciarios, estarían en Goddard. Los espejos se almacenaron en recipientes protectores especiales en la sala limpia, a la espera de la llegada de la estructura del telescopio de vuelo.

Los ingenieros inspeccionan uno de los dos primeros espejos de vuelo que llegan al Goddard de la NASA.

Cajas de espejos de vuelo almacenadas en Goddard.

La estructura del telescopio de vuelo (esencialmente los huesos del telescopio, en los que se montarían los espejos) se envió desde Northrop Grumman y llegó a NASA Goddard en agosto de 2015. Se trasladó al soporte de montaje en noviembre de 2015. En noviembre El 22 de enero de 2015 se instaló el primer espejo.

Aquí, la estructura del telescopio de vuelo se levanta en la sala limpia de NASA Goddard.

La estructura del telescopio de vuelo se encuentra en el soporte de montaje en NASA Goddard, lista para el montaje del espejo.

Tenga en cuenta que para proteger los espejos durante el montaje, se colocaron cubiertas negras livianas, que se quitaron una vez que el espejo estuvo completamente ensamblado.

Este video de lapso de tiempo muestra el ensamblaje del espejo principal de Webb.

Un video destacado sobre la finalización del espejo principal de Webb.

El último espejo se instaló en febrero de 2016. No mucho después, se quitaron las cubiertas protectoras y se reveló el espejo completo.

Una vez que se completaron los espejos, los instrumentos científicos se integraron en el telescopio. Mientras estuvo en Goddard, el telescopio también se sometió a pruebas ambientales, tanto acústicas como de vibración, para garantizar que podría soportar los rigores del lanzamiento. Una vez completado con éxito, el telescopio fue enviado a NASA Johnson en Houston, Texas, para pruebas de la óptica y los instrumentos a temperaturas criogénicas. ¡La Cámara A de NASA Johnson es la única cámara de vacío térmico que tiene la NASA que es lo suficientemente grande para Webb!

Una vez que el telescopio alcanzó la órbita, los ingenieros en la Tierra hicieron ajustes/correcciones en el posicionamiento de los segmentos del espejo principal del telescopio Webb para alinearlos y garantizar que produjeran imágenes nítidas y enfocadas.

Estas correcciones se realizaron a través de un proceso llamado detección y control de frente de onda, que alinea los espejos con una precisión de decenas de nanómetros. Durante este proceso, un sensor de frente de onda (NIRCam en este caso) midió cualquier imperfección en la alineación de los segmentos del espejo que les impedía actuar como un solo espejo de 6,5 metros (21,3 pies). Los ingenieros utilizaron NIRCam para tomar 18 imágenes desenfocadas de una estrella, una de cada segmento del espejo. Luego, los ingenieros utilizaron algoritmos informáticos para determinar la forma general del espejo principal a partir de esas imágenes individuales y determinaron cómo debían mover los espejos para alinearlos.

Este video describe el proceso de alineación del espejo.

Los ingenieros probaron este proceso de alineación en el entorno de vacío criogénico de la Cámara A en el Centro Espacial Johnson de la NASA durante aproximadamente 100 días de pruebas criogénicas. El entorno de la cámara simula el entorno espacial gélido donde opera Webb y donde recopila datos de partes del universo nunca antes observadas. Dentro de la cámara, los ingenieros inyectaron luz láser dentro y fuera del telescopio, actuando como una fuente de estrellas artificiales. La prueba verificó que todo el telescopio, incluida su óptica e instrumentos, funcionó correctamente en este ambiente frío y aseguró que el telescopio funcionaría correctamente en el espacio.

Webb sentado dentro de la Cámara A después de completar la prueba criogénica.

Después de pasar sus pruebas en NASA Johnson, Webb y sus espejos se trasladaron a Northrop Grumman, donde el telescopio se acopló con el parasol y el bus de la nave espacial.