Ausrichtung der Augen der Universumsmaschine

Tee James-Webb-Weltraumteleskop, hat in nur wenigen Betriebsmonaten begonnen, unsere Sicht auf das Universum zu verändern. Seine Bilder – detaillierter als zuvor möglich – zeigen den Weltraum voller Galaxien, von denen einige sehr kurz nach dem Urknall entstanden sind.

All dies wäre ohne die Arbeit eines Teams unter der Leitung von nicht möglich Scott Actondie Führung Wellenfronterfassung und -steuerung Wissenschaftler für das Webb at Ball Luft- und Raumfahrt & Technologien in Colorado. Er und seine Kollegen aufgetretendie Systeme die die 18 separaten Segmente des Hauptspiegels des Webb mit seinem kleineren Sekundärspiegel und den wissenschaftlichen Instrumenten ausrichten. Um klare Bilder in den Infrarotwellenlängen zu erzeugen, die das Teleskop verwendet, müssen die Segmente innerhalb sein zehn Nanometer der im Raumfahrzeugentwurf festgelegten Form.

Acton wuchs in Wyoming auf und verbrachte mehr als 20 Jahre im Webb-Team. IEEE-Spektrum sprach mit Acton, nachdem sein Team die Optik des Teleskops im Weltraum ausgerichtet hatte. Dieses Transkript wurde aus Gründen der Klarheit und Kürze bearbeitet.

Erzähl deine Geschichte. Was hat Sie dazu gebracht?

Scott Acton: Als ich sieben Jahre alt war, brachte mein Vater einen neuen Fernseher mit nach Hause. Und er gab mir den alten Fernseher zum Zerlegen. Ich war einfach begeistert von dem, was ich in diesem Fernseher gesehen habe. Und von diesem Moment an war ich von der Elektronik geprägt. Sie schauen in einen alten Fernseher und da sind Mechanismen, da sind Gerüche und Farben und Sehenswürdigkeiten und für ein siebenjähriges Kind war es einfach das Erstaunlichste, was ich je gesehen habe.

25 Jahre später arbeite ich auf dem Gebiet der adaptiven Optik. Und schließlich führte dies zur Wellenfronterfassung und -steuerung, was zum Webb-Teleskop führte.

Himmel mit hellen Sternen und gasförmiger AktivitätDas scheinbar dreidimensionale Bild von Webb, das als Cosmic Cliffs bezeichnet wird, sieht aus wie schroffe Berge an einem mondbeschienenen Abend. In Wirklichkeit ist es der Rand des riesigen, gasförmigen Hohlraums in NGC 3324, und die höchsten „Gipfel“ in diesem Bild sind etwa 7 Lichtjahre hoch. NASA/ESA/CSA/STScI

Sprechen Sie über Ihre Arbeit, um das Teleskop flugbereit zu machen. Sie haben mehr als 20 Jahre daran gearbeitet.

Aktion: Nun, wir mussten die gesamte Wellenfronterfassung und -steuerung erfinden. Im Jahr 2001 existierte keine dieser Technologien wirklich, also begannen wir von Grund auf mit Konzepten und einfachen Experimenten. Dann kompliziertere, sehr komplizierte Experimente und schließlich etwas, das als TRL 6-Technologie bekannt ist – Technology Readiness Level 6 – das zeigte, dass wir dies in einer flugähnlichen Umgebung tun konnten. Und dann ging es darum, diese Technologie, Algorithmen, zu verstehen und in sehr robuste Verfahren, Dokumentationen und Software zu implementieren, um sie dann am Flugteleskop anzuwenden.

Wie war es, endlich zu starten?

Aktion: Nun, ich muss sagen, die Nervosität war groß, zumindest von meiner Seite. Ich dachte, wir hätten eine 70-prozentige Chance auf einen Missionserfolg oder so ähnlich. Es ist, als würde man sein Kind aufs College schicken – dieses Instrument, das wir uns angesehen und über das wir nachgedacht haben.

Das Trägerfahrzeug Ariane 5 ist so zuverlässig. Ich dachte nicht, dass es ein Problem damit geben würde, aber die Bereitstellung beginnt im Grunde Minuten nach dem Start. Also war für mich der Place to be an einer Computerkonsole [at the Space Telescope Science Institute in Baltimore].

Und dann gab es eine Menge Dinge, die funktionieren mussten.

Aktion: Ja richtig. Aber es gibt einige Dinge, die interessant sind. Sie haben diese Dinger, die nicht-explosive Auslöser genannt werden [used to secure the spacecraft during launch]. Es gibt ungefähr 130 von ihnen. Und die kann man eigentlich nicht testen. Sie bauen sie und sie werden im Grunde einmal verwendet. Wenn Sie einen wiederverwenden, nun, es ist jetzt ein anderer Aktuator, weil Sie ihn wieder zusammenlöten müssen. Sie können das Teil also nicht qualifizieren, aber Sie können den Prozess qualifizieren.

Wir hätten immer noch eine Mission haben können, wenn einige nicht geschossen hätten, aber die meisten von ihnen waren für den Erfolg der Mission absolut notwendig. Fragen Sie sich also einfach mal, nehmen wir an, Sie wollen eine 95-prozentige Erfolgschance haben. Welche Zahl hoch 130 ist gleich 0,95? Diese Zahl ist im Grunde eins. Diese Dinge mussten perfekt sein.

Ich erinnere mich, wie ich eines Nachts nach Hause ging, mit meiner Frau Heidi telefonierte und sagte: „Wenn ich mich irre, habe ich gerade das Teleskop komplett vermasselt.“ Sie sagte: „Scott, deshalb bist du da.“ Das war ihre Art, mir zu sagen, ich solle Cowboy sein. Die Verantwortung musste bei jemandem liegen und in diesem Moment war ich es.

Ich denke, die öffentliche Wahrnehmung war, dass der Webb in sehr gutem Zustand war und die Einrichtung während des Fluges sehr gut lief. Würden Sie sagen, dass das stimmt?

Aktion: Zu Beginn der Mission gab es Schluckauf, aber ansonsten würde ich sagen, dass die Dinge unsere kühnsten Erwartungen übertroffen haben. Das liegt zum Teil daran, dass mein Team und ich das Teleskop 100 Mal in Simulationen in Betrieb genommen haben. Und wir haben es uns immer ein bisschen schwerer gemacht. Ich denke, das hat uns gut getan, denn als wir zum echten Teleskop kamen, war es ziemlich robust. Es hat einfach funktioniert.

Führen Sie uns durch den Prozess der Ausrichtung des Teleskops.

Aktion: Das erste Bild, das wir vom Teleskop zurückbekamen, war am 2. Februar mitten in der Nacht. Die meisten Leute waren nach Hause gegangen, aber ich war da, und viele andere Leute auch. Wir haben gerade das Teleskop auf die Große Magellansche Wolke gerichtet, die viele, viele Sterne enthält, und Bilder mit den Nahinfrarotkameras gemacht. Die Leute waren wirklich glücklich, diese Bilder zu sehen, weil sie im Grunde sicherstellen wollten, dass die wissenschaftlichen Instrumente funktionierten.

Aber einige von uns waren wirklich besorgt über dieses Bild, weil Sie einen sehr signifikanten Astigmatismus sehen konnten – stärker als wir es von unseren Simulationen erwartet hatten. Später würden wir erfahren, dass der Sekundärspiegel des Teleskops verschoben war – etwa 1,5 Millimeter entlang der Entfaltungsachse und etwa einen Millimeter in der anderen Achse. Und die Hauptspiegelsegmente wurden etwas aus dem perfekt ausgerichteten Zustand getaktet.

Lee Feinberg, der Teleskopleiter bei NASA Goddard, schrieb mir eine SMS und sagte: „Scott, warum kannst du das nicht einfach simulieren, um zu sehen, ob du so schlechte Bilder bekommst?“ Also führte ich an diesem Morgen eine Simulation durch und konnte fast genau das reproduzieren, was wir auf diesen Bildern sahen. Uns war klar, dass wir mit der Wellenfront keine größeren Probleme haben würden.

Beschreiben Sie den Arbeitsrhythmus bei der Inbetriebnahme. Wie würde ein Tag aussehen?

Aktion: Eine der Regeln, die wir sehr früh aufstellten, war, dass wir in Bezug auf die Wellenfronterfassung und -steuerung immer zwei Personen gleichzeitig vor den Computern sitzen würden. Jedes Mal, wenn etwas Wichtiges passierte, wollte ich immer sicher sein, dass ich da war, also bekam ich eine Wohnung [near the institute in Baltimore]. Von meiner Tür bis zur Tür des Mission Operations Centers waren es 7 Minuten zu Fuß.

Himmel mit hellem Stern in der Mitte mit GasenAuf diesem Mosaikbild, das sich über 340 Lichtjahre erstreckt, zeigt die Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb die Sternentstehungsregion des Tarantelnebels in einem neuen Licht, einschließlich Zehntausender nie zuvor gesehener junger Sterne, die zuvor in kosmische Bilder gehüllt waren Staub.NASA/ESA/CSA/STScI/Webb ERO-Produktionsteam

Es gab sicherlich Zeiten während des Prozesses, in denen es einen sehr großen Kräuselfaktor hatte, wenn Sie so wollen. Ganz am Anfang konnten wir das Teleskop nicht zuverlässig ausrichten. Und ein Großteil unserer Software für die ersten Schritte der Inbetriebnahme hing von der Unveränderlichkeit der Teleskopausrichtung ab. Wir wollten, dass das Teleskop innerhalb von ein paar Bogensekunden wiederholt ausgerichtet wird, und es war näher an 20 oder 30. Aus diesem Grund mussten einige der anfänglichen Bewegungen zum Ausrichten des Teleskops, wenn Sie so wollen, von Hand berechnet werden.

Ich erinnere mich, wie ich eines Nachts nach Hause ging, mit meiner Frau Heidi telefonierte und sagte: „Wenn ich mich irre, habe ich gerade das Teleskop komplett vermasselt.“ Sie sagte: „Scott, deshalb bist du da.“ Das war ihre Art, mir zu sagen, ich solle Cowboy sein. Die Verantwortung musste bei jemandem liegen und in diesem Moment war ich es.

Aber als das Ergebnis zurückkam, konnten wir die Bilder sehen. Wir richteten das Teleskop auf einen hellen isolierten Stern und dann konnten wir nacheinander 18 Punkte sehen, die in der Mitte unseres wissenschaftlichen Hauptdetektors auftauchten. Ich erinnere mich, dass ein Kollege sagte: „Ich glaube jetzt, dass wir das Teleskop vollständig ausrichten werden.“ Er hatte das Gefühl, dass, wenn wir diese Stufe überwinden könnten, alles andere bergab gehen würde.

Du versuchst, das Universum zusammenzusetzen. Es ist schwer, es richtig zu machen, und sehr leicht, Fehler zu machen. Aber wir haben es geschafft.

Der Bau des Webb war natürlich ein großes, kompliziertes Projekt. Glauben Sie, dass daraus bestimmte Lehren gezogen werden können, die Menschen in der Zukunft nützlich finden könnten?

Aktion: Hier sind ein paar wirklich große, die sich auf die Wellenfronterfassung und -steuerung beziehen. Einer ist, dass mehrere Institutionen beteiligt sind – Northrop Grumman, Ball Aerospace, das Goddard Space Flight Center, das Space Telescope Science Institute – und die Komplikation all dieser institutionellen Linien. Es hätte sehr, sehr schwierig sein können, sich zurechtzufinden. Also haben wir uns sehr früh entschieden, keine Linien zu haben. Wir waren ein komplett markenloses Team. Jeder konnte mit jedem reden. Wenn jemand sagte: „Nein, ich denke, das ist falsch, Sie sollten es so machen“, auch wenn er nicht unbedingt vertraglich verpflichtet war, hörten alle zu.

Eine weitere wichtige Lektion, die wir gelernt haben, war die Bedeutung des Zusammenspiels von Experiment und Simulation. Wir haben ein Modell im Maßstab 1:6 gebaut, ein voll funktionsfähiges optisches Modell des Teleskops, und es funktioniert immer noch. Dadurch wussten wir schon sehr früh, was schwierig werden würde. Dann könnten wir diese Probleme in der Simulation angehen. Dieses Verständnis, das Zusammenspiel von Experiment und Modellierung und Simulation, war absolut notwendig.

Da es natürlich noch sehr früh ist, hast du schon ein Lieblingsbild?

Aktion: Mein Lieblingsbild war bisher eines, das während der letzten echten Wellenfrontaktivität aufgenommen wurde, die wir im Rahmen der Inbetriebnahme durchgeführt haben. Es wurde ein thermischer Anstiegstest genannt. Das Teleskop hat eine große Sonnenschutz, aber die Sonnenblende kann in Bezug auf die Sonne in unterschiedlichen Winkeln stehen. Um sicherzustellen, dass es stabil war, richteten wir es auf einen hellen Stern, den wir als Leitstern benutzten, richteten es in eine Richtung aus und blieben fünf oder sechs Tage dort. Und dann wechselten wir für fünf oder sechs Tage in eine andere Ausrichtung. Es stellte sich als recht stabil heraus. Aber woher wissen Sie, dass das Teleskop nicht um den Leitstern gerollt ist? Um dies zu überprüfen, haben wir eine Reihe von Testbildern mit dem redundanten Feinleitsensor aufgenommen. Wie Sie sich vorstellen können, ist ein 6-1/2-Meter-Teleskop bei L2 entfernt von konkurrierenden Lichtquellen, das auf 50 Kelvin gekühlt wird, ja empfindlich. Selbst eine 20-minütige Aufnahme wird unglaubliche Details über das tiefe Universum enthalten. Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Sie 100 dieser Bilder aufnehmen und sie zusammen mitteln. Wir haben ein Bild von nur einem zufälligen Teil des Himmels erstellt.

James-Webb-Teleskopbild von hellen Lichtern vor einem dunklen HintergrundScott Actons Lieblings-Webb-Bild: Ein Testbild eines beliebigen Teils des Himmels, aufgenommen mit dem Feinführungssensor des Webb. Die Punkte mit sechszackigen Beugungsmustern sind Sterne; alle anderen Punkte sind Galaxien. NASA/CSA/FGS

Ich habe dieses Bild an gesendet James Larkin an der UCLA, und er sah es sich an und schätzte, dass dieses einzelne Bild 15.000 Galaxien enthielt. Jede dieser Galaxien hat wahrscheinlich zwischen 100 [billion] und 200 Milliarden Sterne.

Ich spreche nicht zu viel über Religion, wenn es darum geht, aber ich muss einen biblischen Bezug zum Gesang der Sterne in meinem Kopf gehabt haben. Ich stellte mir all diese Galaxien singend vor, als ob dies eine Möglichkeit für das Universum wäre, seine Freude darüber auszudrücken, dass wir sie nach all den Jahren endlich sehen konnten. Es war eine ziemlich emotionale Erfahrung für mich und für viele Menschen.

Dir ist aufgefallen, dass es da draußen so viel gibt, und du hast noch gar nicht danach gesucht? Du warst immer noch dabei, das Teleskop auszurichten?

Aktion: Das stimmt. Ich glaube, ich bin mir nicht sicher, was ich erwartet habe. Ich dachte, du würdest nur dunklen Himmel sehen. Gut dort ist kein dunkler Himmel. Dunkler Himmel ist ein Mythos. Galaxien sind überall.

Schließlich kamen wir zu unserem ersten beugungsbegrenzten Bild [with the telescope calibrated for science observations for the first time]. Und so funktioniert das Teleskop jetzt.

Einige Tage später kamen etwa 70 von uns zusammen – Astronomen, Ingenieure und andere Teammitglieder. Ein Mitglied des Teams – sein Name ist Anthony Galyer – und ich hatten uns einige Jahre zuvor getrennt und eine Flasche Cognac von 1906 gekauft, dem Jahr, in dem James Webb geboren wurde. Wir stießen auf James Webb und das Teleskop an, das seinen Namen trägt.

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