فرآیند تراز کردن آینه‌های جیمز وب آغاز شد

با دریافت نخستین فوتون‌ها توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب، فرآیند سه ماهه‌ی تراز کردن آینه‌های تلسکوپ برای اجرای عملیات علمی آغاز شد.

این هفته روند سه ماهه‌ی تراز کردن تلسکوپ جیمز وب آغاز شد و روز گذشته، اعضای تیم موفق به رصد نخستین فوتون‌های نور ستاره‌ای شدند که کل مسیر اپتیکی تلسکوپ را طی کردند و توسط ابزار دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) شناسایی شدند. این نقطه عطف نخستین مرحله از مراحل بسیار برای ثبت تصاویری است که در ابتدا بدون فوکوس هستند و از آن‌ها برای تنظیم آرام تلسکوپ استفاده می‌شود. اگرچه هنوز ابتدای فرآیند است اما تا کنون نتایج اولیه با انتظارات و شبیه‌سازی‌ها مطابقت دارد.

تیمی از مهندسان و دانشمندان از «بال ایرواسپیس» (Ball Aerospace)، مؤسسه‌ی تلسکوپ فضایی و مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا، اکنون از داده‌های گرفته شده توسط «دوربین نزدیک فروسرخ» (NIRCam) برای تراز کردن تدریجی تلسکوپ استفاده خواهند کرد. این تیم پیش از این، الگوریتم‌ها را با استفاده از بستر آزمایشی مدل تلسکوپ در مقیاس ۱/۶ توسعه و نمایش داده است. آن‌ها بارها این فرآیند را شبیه‌سازی و تمرین کرده‌اند و اکنون آماده‌ی انجام چنین کاری با وب هستند.

این فرآیند طی سه ماه آینده در هفت مرحله انجام خواهد شد و در نهایت تلسکوپ را کاملا هم‌تراز و آماده برای راه‌اندازی ابزار علمی می‌کند. تصاویری که وب در این مدت گرفته است، برخلاف نماهای تازه‌ای که با آغاز رسمی فعالیت علمی از تابستان ثبت می‌کند، تصاویر زیبایی نخواهند بود و در حقیقت در خدمت آماده‌سازی تلسکوپ و در مسیر کاوش علمی هستند.

برای کار با هم به‌عنوان یک آینه، ۱۸ بخش آینه‌ی اصلی تلسکوپ باید با کسری از طول موج نور (تقریبا ۵۰ نانومتر) در کنار هم منطبق باشند. برای درک بهتر این موضوع می‌توان در مقایسه گفت که اگر آینه‌ی اصلی تلسکوپ وب به اندازه‌ی کشور آمریکا بود، دانشمندان باید هر بخش به اندازه‌ی تگزاس را با دقت حدود ۱.۵ اینچ (حدود ۴ سانتی‌متر) در کنار هم تنظیم می‌کردند.

«اسکات اکتون» (Scott Acton) و «چاندا واکر» (Chanda Walker) از بال ایرواسپیس به همراه «لی فاینبرگ» (Lee Feinberg) از گادرد نایا، مراحلی که باید سپری شوند را این‌گونه توضیح می‌دهند:

با تکمیل استقرار بخش‌های آینه‌ای و روشن شدن ابزار، تیم مراحل متعددی را برای آماده‌سازی و کالیبره کردن تلسکوپ برای انجام کار خود آغاز کرده است. فرآیند راه‌اندازی تلسکوپ بسیار طولانی‌تر از تلسکوپ‌های فضایی قبلی خواهد بود زیرا آینه‌ی اصلی وب از ۱۸ بخش آینه‌ای مجزا تشکیل شده است که باید به عنوان یک سطح اپتیکی یکپارچه با دقت بالا با هم کار کنند.

مراحل فرآیند راه‌اندازی عبارتند از:

1. شناسایی تصویر توسط هر بخش (Segment Image Identification)
2. تراز هر بخش (Segment Alignment)
3. چیدمان و اتصال تصاویر (Image Stacking)
4. فازبندی کلی (Coarse Phasing)
5. فازبندی دقیق (Fine Phasing)
6. تراز تلسکوپ بر روی میدان دید ابزار (Telescope Alignment Over Instrument Fields of View)
7. تکرار تراز برای تصحیح نهایی (Iterate Alignment for Final Correction)

۱. شناسایی تصویر توسط هر بخش

ابتدا باید تلسکوپ نسبت به خود فضاپیما تراز شود. فضاپیمای جیمز وب با استفاده از ردیاب‌های ستاره‌ای می‌تواند حرکت‌های جهت‌دهی بسیار دقیقی انجام دهد. ردیاب‌های ستاره‌ای را می‌توان به‌عنوان یک GPS برای فضاپیماها درنظر گرفت. در ابتدا، موقعیت فضاپیما نسبت به ردیاب‌های ستاره‌ای با موقعیت هر یک از بخش‌های آینه مطابقت ندارد.

دانشمندان تلسکوپ را به سمت یک ستاره‌ی درخشان و منزوی (HD 84406) نشانه می‌گیرند تا مجموعه‌ای از عکس‌ها را ثبت کنند که سپس با هم ادغام می‌شوند تا تصویری از آن قسمت از آسمان را تشکیل دهند. اما باید درنظر داشت که تلسکوپ ۱۸ آینه دارد که هر یک در ابتدا به قسمت متفاوتی از آسمان متمایل شده‌اند.

درنتیجه در حقیقت ۱۸ کپی با اندکی جابه‌جایی از ستاره دریافت می‌شود که هر یک خارج از فوکوس هستند و به شیوه‌ی متفاوتی دچار اعوجاج شده‌اند. دانشمندان این کپی‌های ستاره‌ای اولیه را به‌عنوان تصاویر بخش می‌شناسند. بسته به موقعیت آغازین آینه‌ها، ممکن است این فرآیند چندین بار تکرار شود تا همه‌ی ۱۸ بخش یک تصویر را نشان دهند.

شبیه‌سازی تصویر اولیه از جرم هدف توسط آینه‌های تراز نشده
Credit: NASA

هر ۱۸ بخش آینه یک‌به‌یک جابه‌جا می‌شوند، تا مشخص شود که کدام بخش آینه‌ی اصلی، تصویر بخش مشخصی را ایجاد می‌کند. پس از تطبیق بخش‌های آینه با تصاویر مربوطه، می‌توان شیب آینه‌ها را تنظیم کرد تا همه‌ی تصاویر را برای تجزیه‌وتحلیل بیشتر به یک نقطه‌ی مشترک نزدیک کنند. دانشمندان این ترتیب را آرایه‌ی تصویر می‌نامند.

۲. تراز هر بخش

پس از اینکه آرایه‌ی تصویر شکل گرفت، می‌توان تراز هر بخش را انجام داد که بیشتر خطاهای بزرگ موقعیت‌یابی بخش‌های آینه را تصحیح می‌کند. دانشمندان با حرکت دادن اندک آینه‌ی ثانویه، تصاویر بخش را از فوکوس خارج می‌کنند. یک تجزیه‌وتحلیل ریاضی، که بازیابی فاز نامیده می‌شود، روی تصاویر بدون فوکوس اعمال می‌شود تا خطاهای موقعیت‌یابی دقیق هر بخش را تعیین کند. سپس تنظیمات بخش‌ها منجر به ۱۸ تلسکوپ با تصحیح مطلوب می‌شود. اما بخش‌ها هنوز به‌عنوان یک آینه‌ی واحد با هم کار نمی‌کنند.

۳. چیدمان تصویر

برای قرار دادن تمام نور رسیده به تلسکوپ در یک مکان واحد، هر بخش تصویر باید روی هم چیده شود. در مرحله‌ی چیدمان تصویر، دانشمندان تصاویر بخش‌های جداگانه را به گونه‌ای جابه‌جا می‌کنند که دقیقا در مرکز میدان بیفتد تا یک تصویر یکپارچه ایجاد شود. این فرآیند، تلسکوپ را برای فازبندی کلی آماده می‌کند.

چیدمان تصاویر آینه‌های جیمز وب
Credit: NASA

چیدمان به‌صورت متوالی در سه گروه (بخش A و بخش B و بخش C) انجام می‌شود.

چیدمان ترتیبی تصاویر هر بخش A و B و C برای دستیابی به یک تصویر واحد
Credit: NASA

۴. تنظیم کلی

اگرچه چیدمان تصویر، تمام نور را در یک مکان روی آشکارساز قرار می‌دهد، اما این بخش‌ها همچنان به جای یک تلسکوپ بزرگ به‌عنوان ۱۸ تلسکوپ کوچک عمل می‌کنند. قطعات آینه باید با دقتی کمتر از طول موج نور با یکدیگر هم‌تراز شوند.

الگوهای مورب ایجاد شده بر اثر خطای تراز کردن آینه‌های جیمز وب؛ شیب بیشتر نشان‌دهنده‌ی خطای زیادتر است.
Credit: NASA

تنظیم فازبندی کلی، که سه بار در طول فرآیند راه‌اندازی انجام می‌شود، جابه‌جایی عمودی (اختلاف پیستونی) بخش‌های آینه را اندازه‌گیری و تصحیح می‌کند. با استفاده از فناوری موسوم به «تشخیص حاشیه پراکندگی» (Dispersed Fringe Sensing) متخصصان از NIRCam برای گرفتن طیف نور از ۲۰ جفت جداگانه از بخش‌های آینه استفاده می‌کنند. این طیف یک الگوی مورب (یا زاویه‌دار) است که توسط اختلاف پیستونی دو بخش جفت‌شده تشخیص داده می‌شود.

۵. تنظیم دقیق

تنظیم دقیق هم سه بار، مستقیما پس از هر دور فازبندی کلی، و سپس به‌طور معمول در طول عمر وب انجام می‌شود. این عملیات خطاهای تراز باقی‌مانده را با استفاده از همان روش عدم تمرکز اعمال شده در طول تراز بخش، اندازه‌گیری و تصحیح می‌کند.

شبیه‌سازی تصاویر بدون فوکوس فازبندی دقیق
بخش‌هایی با رنگ‌های بسیار روشن یا بسیار تیره نیاز به اصلاح بیشتری دارند.
Credit: NASA

اما در این گام به جای استفاده از آینه‌ی ثانویه، دانشمندان از عناصر نوری ویژه در داخل ابزار علمی استفاده می‌کنند که مقادیر گوناگونی از ناکانونی کردن را برای هر تصویر شامل می‌شود. (۸-، ۴-، ۴+، ۸+ موج ناکانونی کردن)

۶. تراز تلسکوپ روی میدان دید ابزار

پس از تنظیم دقیق، تلسکوپ به‌خوبی در یک مکان در میدان دید NIRCam قرار می‌گیرد. اکنون این تراز شدن باید به بقیه‌ی سازه گسترش یابد.

در این مرحله از فرآیند راه‌اندازی، اندازه‌گیری‌هایی در مکان‌های متعدد یا نقاط میدانی در هر یک از ابزارهای علمی انجام می‌شود، همان‌طور که در زیر نشان داده شده است. تنوع بیشتر در شدت اندازه‌گیری، نشان‌دهنده‌ی خطاهای بزرگ‌تر در آن نقطه از میدان است. یک الگوریتم؛ اصلاحات نهایی مورد نیاز برای دستیابی به یک تلسکوپ کاملا تراز در همه‌ی ابزارهای علمی را محاسبه می‌کند.

شبیه‌سازی تصحیح میدان دید ابزار علمی تلسکوپ جیمز وب
Credit: NASA

۷. تکرار تراز برای تصحیح نهایی

پس از اعمال تصحیح میدان دید، نکته‌ی کلیدی که باید به آن پرداخته شود، حذف هر گونه خطای کوچک و باقی‌مانده در موقعیت‌یابی بخش‌های آینه‌ی اصلی است که دانشمندان با استفاده از فرآیند تنظیم دقیق، به اندازه‌گیری و اصلاح آن می‌پردازند و بررسی نهایی کیفیت تصویر در هر یک از ابزارهای علمی را انجام خواهند داد. پس از تأیید این عملیات، فرآیند سنجش کنترل جبهه‌ی موج کامل خواهد شد.

در حالی که دانشمندان هفت مرحله‌ی تراز کردن دقیق آینه‌ها را طی می‌کنند، ممکن است به این نتیجه برسند که برخی از مراحل قبلی نیاز به تکرار دارند. بنابراین کل این فرآیند انعطاف‌پذیر و چندبخشی است تا امکان تکرار هر مرحله فراهم باشد. در نهایت پس از حدود سه ماه از آغاز تراز کردن تلسکوپ، تیم مأموریت آماده خواهد بود تا راه‌اندازی ابزارها‌ی علمی تلسکوپ را پیش ببرد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از تلسکوپ فضایی جیمز وب
Credit: NASA

منبع: NASA