Mai 20, 2022

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Der Spiegel des Webb-Teleskops der NASA zerschmettert die „optimistischste Prognose“ nach der endgültigen Ausrichtung

Der Spiegel des Webb-Teleskops der NASA zerschmettert die „optimistischste Prognose“ nach der endgültigen Ausrichtung

Die NASA sagt, dass die „optische Leistung des im Entstehen begriffenen James Webb Space Telescope (JWST) … besser bleibt als … die optimistischste Prognose“, nachdem die rekordverdächtige Spiegelausrichtung abgeschlossen wurde.

Zwischen 7 und 14 Jahre hinter dem Zeitplan und dem Budget um den Faktor 2 bis 10 verspätet die Arianespace Ariane 5-Rakete am 25. Dezember 2021 das Webb-Teleskop auf den Weg in den Weltraum. Das 6,2 Tonnen schwere JWST-Teleskop war es fast halb so schwer wie das legendäre Hubble-Weltraumteleskop der NASA, obwohl es einen beispiellosen Origami-ähnlichen Spiegel mit mehr als dem Sechsfachen der gesamten Hubble-Sammelfläche füllt. Die Kombination aus extremer Massenreduzierung und der ungewöhnlichen Komplexität, die erforderlich ist, um einen so großen Spiegel mit einer Rakete wie der Ariane 5 von der Erde wegzuschießen, hilft teilweise zu erklären, warum das Webb-Teleskop so lange (~18 Jahre) und kostspielig (~9,7 Milliarden US-Dollar) für die Konstruktion brauchte , entwickeln und bauen.

Es wurde jedoch schließlich veröffentlicht. Ariane 5 erledigte die meiste Arbeit und schickte das Teleskop auf eine Flugbahn – mit etwas Hilfe von Triebwerken an Bord – die es auf den Lagrange-Punkt der Sonne und L2 ausrichten würde, der sich 1,5 Millionen Kilometer (~950.000 Meilen) von der Erde entfernt befindet. Zur vielleicht größten Erleichterung in der Geschichte der Weltraumobservatorien wurde der hochkomplexe Bereitstellungsprozess des Webb-Teleskops ohne ein einziges größeres Problem abgeschlossen. 30 Tage nach dem Start erreichte das Teleskop – vollständig entfaltet – seine Betriebsumlaufbahn.

Im Vergleich dazu hat sich in den letzten vier Monaten fast die gesamte Arbeit von JWST auf die viel weniger offensichtlichen und viel kleineren Ausrichtungen und Kalibrierungen konzentriert. Jedes der 18 Hauptspiegelsegmente von JWST hält langsam aber sicher Mikrometer für Mikrometer in Position, während große Bereiche des Teleskops langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden – unerlässlich für maximale Leistung. Gleichzeitig erreichten alle ersten Instrumente von Webb das erste Licht und traten in die frühen Stadien der Kalibrierung und Inbetriebnahme ein. Erst nachdem die Instrumente sorgfältig kalibriert, der Spiegel perfekt ausgerichtet und die kritischen Instrumente auf Temperaturen von bis zu -449 °F (-267 °C) abgekühlt sind, kann Webb damit beginnen, das Universum zu beobachten und große Teile der Weltraumwissenschaft zu revolutionieren.

Eine Innenansicht der Früchte der Angleichung. (NASA)

Der erste und wichtigste Schritt – das Ausrichten des Spiegels – ist nun abgeschlossen. Der Ausrichtungsprozess begann im Februar 2022, sechs Wochen nach dem Start. Zuerst wurden Bilder mit dem falsch ausgerichteten Spiegel aufgenommen, um zu helfen, genau zu bestimmen, in welchem ​​​​Zustand er sich befand. Jedes der 18 Webb-Spiegelsegmente wurde nacheinander einzeln bewegt, um zu bestimmen, für welches Bild jeder Spiegel verantwortlich war, sodass die Bodenkontrolleure jede Spiegelansicht des Zielsterns richtig fokussieren konnten. Nachdem diese 18 optischen Punkte gut aufgelöst und an einem bestimmten Spiegelsegment befestigt waren, wurden die Segmente in einem als „Grobphasen“ bekannten Prozess allmählich übereinander ausgerichtet, um ein einziges Bild zu erzeugen.

„Grob“ verringert die fast unergründliche Präzision, die erforderlich ist, um die Bewegung abzuschließen, erheblich. Um sein volles Potenzial auszuschöpfen, muss jedes Spiegelsegment des Webb-Teleskops innerhalb von 50 ausgerichtet werden nm von einander. Laut NASA: „Wenn der ursprüngliche Webb-Spiegel die Größe der Vereinigten Staaten hätte, dann hätte jedes Fragment die Größe von Texas, und das Team müsste die Höhen dieser texanischen Teile mit einer Genauigkeit von ungefähr 1,5 Zoll.“

Das Produkt grober Phasen – schön, aber noch nicht wissenschaftlich nutzbar. (NASA)

Darauf folgt eine subtile Steigerung, die eine Reihe esoterischer Operationen beinhaltet, die darauf abzielen, den Spiegel so vollständig wie möglich zu fokussieren. Das resultierende Bild wurde dann modifiziert, um es richtig auf das Sichtfeld jedes der vier wissenschaftlichen Hauptinstrumente von Webb auszurichten. Schließlich wurden einige Schritte des siebenstufigen Ausrichtungsprozesses komplett neu gestaltet oder verfeinert, um den Spiegel zur Zufriedenheit der erdgebundenen Schöpfer und potenziellen Benutzer zu optimieren.

Am Ende war die Ausrichtung des Webb-Teleskops außerordentlich erfolgreich und lieferte ein Bild, das klarer und reiner war als selbst die „optimistischsten Vorhersagen“ seiner Ingenieure. Die NASA sagt, dass das Bild so detailliert ist, dass es effektiv die physikalische Auflösung eines Spiegels von der Größe des Webb-Teleskops erreicht, was bedeutet, dass es gegen bekannte Gesetze der Physik verstoßen müsste, um andere Details aufzulösen.

Erste JWST-Bilder mit vollständig ausgerichtetem Spiegel. (NASA)

Nachdem die Spiegelausrichtung abgeschlossen ist, hat JWST nur noch eine große Hürde, bevor der wissenschaftliche Betrieb beginnen kann: der Gerätebetrieb. Die Inbetriebnahme ist eine umfassende Erklärung, die das breite Spektrum an Kalibrierungen, Analysen, Tests und Optimierungen abdeckt, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass sich die vier wichtigsten JWST-Tools wie erwartet verhalten und die Arbeit, für die sie entwickelt wurden, so genau und zuverlässig wie möglich ausführen.

Irgendwann gleicht der Einsatz hochkomplexer wissenschaftlicher Instrumente einer Kunstform, und es muss ein gewisses Maß an Vertrauen zwischen Wissenschaftlern und ihren erhofften kommerziellen Instrumenten aufgebaut werden, bevor sie selbstbewusst den Meißel an Marmor nageln und sich in die Materie vertiefen können Universum mit beispielloser Breite und Detailtreue. Wenn der Betrieb so reibungslos verläuft wie die Aufstellung und Ausrichtung, kann das JWST-Team möglicherweise bereits im Juli 2022 die ersten verwertbaren Teleskopbeobachtungen des Universums erfassen und teilen.

Der Spiegel des Webb-Teleskops der NASA zerschmettert die „optimistischste Prognose“ nach der endgültigen Ausrichtung






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