فرآیند تراز کردن آینه های جیمز وب شروع شد - وبلاگ توسعه دهنده ها

به گزارش وبلاگ توسعه دهنده ها، با دریافت نخستین فوتون ها به وسیله تلسکوپ فضایی جیمز وب، فرآیند سه ماهه تراز کردن آینه های تلسکوپ برای اجرای عملیات علمی شروع شد.

این هفته فرایند سه ماهه تراز کردن تلسکوپ جیمز وب شروع شد و روز گذشته، اعضای تیم پیروز به رصد نخستین فوتون های نور ستاره ای شدند که کل راستا اپتیکی تلسکوپ را طی کردند و به وسیله 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 آن ها برای تنظیم آرام تلسکوپ استفاده می گردد. اگرچه هنوز ابتدای فرآیند است اما تا کنون نتایج اولیه با انتظارات و شبیه سازی ها مطابقت دارد.

تیمی از مهندسان و دانشمندان از بال ایرواسپیس (Ball Aerospace)، مؤسسه تلسکوپ فضایی و مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا، اکنون از داده های گرفته شده به وسیله دوربین نزدیک فروسرخ (NIRCam) برای تراز کردن تدریجی تلسکوپ استفاده خواهند کرد. این تیم پیش از این، الگوریتم ها را با استفاده از بستر آزمایشی مدل تلسکوپ در مقیاس 1/6 توسعه و نمایش داده است. آن ها بارها این فرآیند را شبیه سازی و تمرین نموده اند و اکنون آماده انجام چنین کاری با وب هستند.

این فرآیند طی سه ماه آینده در هفت مرحله انجام خواهد شد و در نهایت تلسکوپ را کاملا هم تراز و آماده برای راه اندازی ابزار علمی می نماید. تصاویری که وب در این مدت گرفته است، برخلاف نماهای تازه ای که با شروع رسمی فعالیت علمی از تابستان ثبت می نماید، تصاویر زیبایی نخواهند بود و در حقیقت در خدمت آماده سازی تلسکوپ و در راستا کاوش علمی هستند.

برای کار با هم به عنوان یک آینه، 18 بخش آینه اصلی تلسکوپ باید با کسری از طول موج نور (تقریبا 50 نانومتر) در کنار هم منطبق باشند. برای درک بهتر این موضوع می توان در مقایسه گفت که اگر آینه اصلی تلسکوپ وب به میزان کشور آمریکا بود، دانشمندان باید هر بخش به میزان تگزاس را با دقت حدود 1.5 اینچ (حدود 4 سانتی متر) در کنار هم تنظیم می کردند.

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 این گونه شرح می دهند:

با تکمیل استقرار بخش های آینه ای و روشن شدن ابزار، تیم مراحل متعددی را برای آماده سازی و کالیبره کردن تلسکوپ برای انجام کار خود شروع نموده است. فرآیند راه اندازی تلسکوپ بسیار طولانی تر از تلسکوپ های فضایی قبلی خواهد بود زیرا آینه اصلی وب از 18 بخش آینه ای مجزا تشکیل شده است که باید به عنوان یک سطح اپتیکی یکپارچه با دقت بالا با هم کار نمایند.

مراحل فرآیند راه اندازی عبارتند از:

1. شناسایی تصویر به وسیله 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)

1. شناسایی تصویر به وسیله هر بخش

ابتدا باید تلسکوپ نسبت به خود فضاپیما تراز گردد. فضاپیمای جیمز وب با استفاده از ردیاب های ستاره ای می تواند حرکت های جهت دهی بسیار دقیقی انجام دهد. ردیاب های ستاره ای را می توان به عنوان یک GPS برای فضاپیماها درنظر گرفت. در ابتدا، موقعیت فضاپیما نسبت به ردیاب های ستاره ای با موقعیت هر یک از بخش های آینه مطابقت ندارد.

دانشمندان تلسکوپ را به سمت یک ستاره درخشان و منزوی (HD 84406) نشانه می گیرند تا مجموعه ای از عکس ها را ثبت نمایند که سپس با هم ادغام می شوند تا تصویری از آن قسمت از آسمان را تشکیل دهند. اما باید درنظر داشت که تلسکوپ 18 آینه دارد که هر یک در ابتدا به قسمت متفاوتی از آسمان متمایل شده اند.

درنتیجه در حقیقت 18 کپی با اندکی جابه جایی از ستاره دریافت می گردد که هر یک خارج از فوکوس هستند و به شیوه متفاوتی دچار اعوجاج شده اند. دانشمندان این کپی های ستاره ای اولیه را به عنوان تصاویر بخش می شناسند. بسته به موقعیت شروعین آینه ها، ممکن است این فرآیند چندین بار تکرار گردد تا همه 18 بخش یک تصویر را نشان دهند.

هر 18 بخش آینه یک به یک جابه جا می شوند، تا معین گردد که کدام بخش آینه اصلی، تصویر بخش معینی را ایجاد می نماید. پس از تطبیق بخش های آینه با تصاویر مربوطه، می توان شیب آینه ها را تنظیم کرد تا همه تصاویر را برای تجزیه وتحلیل بیشتر به یک نقطه مشترک نزدیک نمایند. دانشمندان این ترتیب را آرایه تصویر می نامند.

2. تراز هر بخش

پس از اینکه آرایه تصویر شکل گرفت، می توان تراز هر بخش را انجام داد که بیشتر خطاهای بزرگ موقعیت یابی بخش های آینه را تصحیح می نماید. دانشمندان با حرکت دادن اندک آینه ثانویه، تصاویر بخش را از فوکوس خارج می نمایند. یک تجزیه وتحلیل ریاضی، که بازیابی فاز نامیده می گردد، روی تصاویر بدون فوکوس اعمال می گردد تا خطاهای موقعیت یابی دقیق هر بخش را معین کند. سپس تنظیمات بخش ها منجر به 18 تلسکوپ با تصحیح مطلوب می گردد. اما بخش ها هنوز به عنوان یک آینه واحد با هم کار نمی نمایند.

3. چیدمان تصویر

برای قرار دادن تمام نور رسیده به تلسکوپ در یک مکان واحد، هر بخش تصویر باید روی هم چیده گردد. در مرحله چیدمان تصویر، دانشمندان تصاویر بخش های جداگانه را به گونه ای جابه جا می نمایند که دقیقا در مرکز میدان بیفتد تا یک تصویر یکپارچه ایجاد گردد. این فرآیند، تلسکوپ را برای فازبندی کلی آماده می نماید.

چیدمان به صورت متوالی در سه گروه (بخش A و بخش B و بخش C) انجام می گردد.

4. تنظیم کلی

اگرچه چیدمان تصویر، تمام نور را در یک مکان روی آشکارساز قرار می دهد، اما این بخش ها همچنان به جای یک تلسکوپ بزرگ به عنوان 18 تلسکوپ کوچک عمل می نمایند. قطعات آینه باید با دقتی کمتر از طول موج نور با یکدیگر هم تراز شوند.

تنظیم فازبندی کلی، که سه بار در طول فرآیند راه اندازی انجام می گردد، جابه جایی عمودی (اختلاف پیستونی) بخش های آینه را میزان گیری و تصحیح می نماید. با استفاده از فناوری موسوم به تشخیص حاشیه پراکندگی (Dispersed Fringe Sensing) متخصصان از NIRCam برای گرفتن طیف نور از 20 جفت جداگانه از بخش های آینه استفاده می نمایند. این طیف یک الگوی مورب (یا زاویه دار) است که به وسیله اختلاف پیستونی دو بخش جفت شده تشخیص داده می گردد.

5. تنظیم دقیق

تنظیم دقیق هم سه بار، مستقیما پس از هر دور فازبندی کلی، و سپس به طور معمول در طول عمر وب انجام می گردد. این عملیات خطاهای تراز به جای مانده را با استفاده از همان روش عدم تمرکز اعمال شده در طول تراز بخش، میزان گیری و تصحیح می نماید.

اما در این گام به جای استفاده از آینه ثانویه، دانشمندان از عناصر نوری ویژه در داخل ابزار علمی استفاده می نمایند که مقادیر گوناگونی از ناکانونی کردن را برای هر تصویر شامل می گردد. (8-، 4-، 4+، 8+ موج ناکانونی کردن)

6. تراز تلسکوپ روی میدان دید ابزار

پس از تنظیم دقیق، تلسکوپ به خوبی در یک مکان در میدان دید NIRCam قرار می گیرد. اکنون این تراز شدن باید به بقیه سازه توسعه یابد.

در این مرحله از فرآیند راه اندازی، میزان گیری هایی در مکان های متعدد یا نقاط میدانی در هر یک از ابزارهای علمی انجام می گردد، همان طور که در زیر نشان داده شده است. تنوع بیشتر در شدت میزان گیری، نشان دهنده خطاهای بزرگ تر در آن نقطه از میدان است. یک الگوریتم؛ اصلاحات نهایی مورد احتیاج برای دستیابی به یک تلسکوپ کاملا تراز در همه ابزارهای علمی را محاسبه می نماید.

7. تکرار تراز برای تصحیح نهایی

پس از اعمال تصحیح میدان دید، نکته کلیدی که باید به آن پرداخته گردد، حذف هر گونه خطای کوچک و به جای مانده در موقعیت یابی بخش های آینه اصلی است که دانشمندان با استفاده از فرآیند تنظیم دقیق، به میزان گیری و اصلاح آن می پردازند و آنالیز نهایی کیفیت تصویر در هر یک از ابزارهای علمی را انجام خواهند داد. پس از تأیید این عملیات، فرآیند سنجش کنترل جبهه موج کامل خواهد شد.

در حالی که دانشمندان هفت مرحله تراز کردن دقیق آینه ها را طی می نمایند، ممکن است به این نتیجه برسند که بعضی از مراحل قبلی احتیاج به تکرار دارند. بنابراین کل این فرآیند انعطاف پذیر و چندبخشی است تا امکان تکرار هر مرحله فراهم باشد. در نهایت پس از حدود سه ماه از شروع تراز کردن تلسکوپ، تیم مأموریت آماده خواهد بود تا راه اندازی ابزارها علمی تلسکوپ را پیش ببرد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از تلسکوپ فضایی جیمز وب

Credit: NASA

منبع: NASA