تلسکوپ فضایی رُمان ناسا با عملکردی فراتر از انتظارات، کیفیت تصویر را تا ۳۰ درصد ارتقا داد

این دستاورد، گامی مهم به سوی ماموریت بلندپروازانه این تلسکوپ برای بررسی ماده تاریک، انرژی تاریک و سایر اسرار جهان است. حتی کوچک‌ترین بهبود در دقت نوری می‌تواند به رُمان کمک کند تا تصاویر واضح‌تری در طول بررسی‌های گسترده خود از کیهان ثبت کند.

دیو هیکی، مهندس سیستم‌های ابزار میدان وسیع در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرین‌بِلت، مریلند، گفت: «تمام بررسی‌های گسترده رُمان به ابزار میدان وسیع متکی خواهد بود. بسیاری از اهداف اصلی این ماموریت، مانند مطالعه ماده تاریک و انرژی تاریک، بدون آن امکان‌پذیر نخواهد بود، بنابراین بسیار هیجان‌انگیز و در عین حال، تسکین‌بخش است که ببینیم به خوبی کار می‌کند!»

آزمایش سیستم دوربین قدرتمند ناسا

پس از فعال‌سازی ابزار میدان وسیع در سپتامبر، مهندسان کمپین جامعی را برای تایید عملکرد صحیح هر یک از اجزا به صورت جداگانه و به عنوان بخشی از سیستم کامل آغاز کردند.

اولین اولویت آن‌ها، بررسی ۱۸ آشکارساز این ابزار بود که هر کدام تقریباً به اندازه یک برچسب چسبی هستند، همراه با الکترونیک‌هایی که آن‌ها را کار می‌اندازند. سپس تیم عملکرد چرخ عنصر را ارزیابی کرد. این یک مکانیسم چرخشی است که مجهز به فیلترها و سایر اجزای نوری است. این امکان را فراهم می‌کند تا طول موج‌های انتخابی نور به آشکارسازها برسند و بتوانند نور ورودی را به رنگ‌های جداگانه آن تقسیم کنند.

سپس نوبت به سیستم کالیبراسیون داخلی این ابزار رسید. مهندسان دیودهای ساطع‌کننده نور یا LEDهای آن را فعال کردند که به عنوان منابع نوری قابل تنظیم عمل می‌کنند و می‌توانند رنگ‌ها و سطوح روشنایی مختلف را با دستورالعمل‌هایی از زمین تولید کنند. با اندازه‌گیری نحوه واکنش آشکارسازها به این سیگنال‌های کنترل‌شده، دانشمندان می‌توانند تفاوت‌ها در حساسیت را شناسایی کرده و اصلاحات لازم برای مشاهدات دقیق را انجام دهند.

مهندسان همچنین مکانیسم تراز این ابزار را آزمایش کردند و آن را از موقعیت غیر متمرکز عمدی که در زمان پرتاب استفاده شده بود، به موقعیتی که انتظار می‌رفت، تصویر واضح‌تری ارائه دهد، منتقل کردند. در نهایت، آن‌ها سیستم کنترل حرارتی را بررسی کردند که دمای مورد نیاز برای عملکرد صحیح اجزای مختلف این ابزار را حفظ می‌کند.

مکسیم ریزو، مهندس سیستم‌های ابزار میدان وسیع در گودارد ناسا، گفت: «کالیبره کردن یک ابزار مانند کوک کردن پیانو یا گیتار قبل از کنسرت است. شما همه چیز را تنظیم می‌کنید تا دقیقاً همان‌طور که می‌خواهید باشد و سپس تنظیمات را ثابت نگه می‌دارید تا در حین استفاده از آن به طور مداوم عملکرد داشته باشد.»

تلسکوپی فضایی که از قبل به تراز کامل نزدیک است

در حالی که یک گروه بر آماده‌سازی ابزار میدان وسیع متمرکز بود، گروه دیگری به پالایش تراز کلی نوری تلسکوپ پرداخت.

نتایج از ابتدا امیدوارکننده بود. آینه‌ها و سایر اجزای نوری رُمان از قبل با دقت قابل توجهی قرار گرفته بودند، به این معنی که مهندسان فقط نیاز به ایجاد اصلاحات جزئی داشتند.

متیو بولکار، مسئول سیستم‌های نوری رُمان در گودارد ناسا، گفت: «عملکرد تلسکوپ حتی قبل از شروع تنظیم تراز همه آینه‌ها و سایر اجزا عالی بود، به لطف کار آماده‌سازی استثنایی که قبل از پرتاب در زمین انجام شد. تمام آزمایش‌ها و مدل‌سازی‌هایی که در گودارد و توسط پیمانکاران در L3Harris و BAE Space and Mission Systems انجام شد، تنها اصلاحات جزئی را برای ما باقی گذاشت تا همه چیز را به تراز نزدیک به کامل برسانیم.»

دستیابی به این سطح از دقت برای یک فضاپیما به ویژه چالش‌برانگیز است. نیروهای وارد شده در طول پرتاب می‌توانند باعث جابه‌جایی‌های جزئی در تجهیزات حساس شوند و شرایط در مدار به طور قابل توجهی با شرایط روی زمین متفاوت است. رُمان در ۳۰ اوت پرتاب شد و سیستم‌های نوری آن قبل از ترک زمین به طور دقیق آزمایش شده بود.

بولکار گفت: «آزمایش‌های زمینی ما نتوانست دقیقاً محیطی را که رُمان در فضا تجربه می‌کند، مانند عدم وجود گرانش، بازسازی کند. همچنین تفاوت‌هایی در تغییرات دما و رطوبت وجود دارد. با وجود این چالش‌ها، ارزیابی‌های اخیر نشان داد که آزمایش‌های زمینی ما عالی بوده است و هر دو ابزار عملکردی برابر یا فراتر از آنچه پیش‌بینی کرده بودیم، داشتند.»

تنظیم آینه کوچکتر از قطر موی انسان

رُمان به یک آرایش پیچیده از آینه‌ها و اجزای نوری متکی است تا نور را از اجسام دوردست کیهانی جمع‌آوری کرده و آن را به سمت دو ابزار علمی خود هدایت کند. برای اینکه تصاویر حاصله واضح بمانند، نور باید یک مسیر بسیار دقیق را دنبال کند.

حتی یک ناهماهنگی میکروسکوپی می‌تواند بر نحوه متمرکز کردن دقیق نور توسط تلسکوپ تأثیر بگذارد.

خوشبختانه، سیستم نوری رُمان از قبل به گونه‌ای تراز شده بود که فقط حرکات بسیار کوچک برای بهبود عملکرد آن لازم بود.

الدن جورلینگ، مهندس ارشد نوری که بر روی رُمان در گودارد ناسا کار می‌کند، گفت: «ما آینه ثانویه را به حدود یک شانزدهم قطر موی انسان جابه‌جا کردیم. این تنظیم ارتفاع آینه ثانویه را بالای آینه اصلی تغییر داد. اگر آن ارتفاع را به ارتفاع ساختمان امپایر استیت مقیاس‌بندی کنیم، تغییر ارتفاع کمی کمتر از قرار دادن یک سکه یک سنتی آمریکا روی نوک برج خواهد بود.»

اگرچه درک آن در مقیاس انسانی تقریباً غیرممکن است، اما چنین تغییر کوچکی می‌تواند تفاوت مهمی ایجاد کند وقتی یک تلسکوپ برای مطالعه اجسام در فواصل کیهانی وسیع طراحی شده باشد.

تیم ابتدا بر روی ابزار کورونوگراف متمرکز شد که تصاویری کمی خارج از فوکوس تولید می‌کرد. مشکل کمتر از آنچه مهندسان انتظار داشتند بود و اصلاح آن نسبتاً آسان بود.

کورونوگراف اکنون با برآورده کردن انتظارات سخت‌گیرانه تیم، عملکرد می‌کند. مهندسان به تنظیم تنظیمات دوربین و تعیین پیکربندی‌های بهینه برای آینه‌های تغییر شکل‌پذیر خود ادامه خواهند داد که می‌توانند برای ایجاد اصلاحات بسیار دقیق در نور ورودی شکل خود را تغییر دهند.

در هفته‌های آینده، تیم قصد دارد توانایی کورونوگراف را در مسدود کردن نور ناخواسته آزمایش کند که یک قابلیت ضروری برای مشاهده اجسام کم‌نور در نزدیکی اجسام بسیار روشن‌تر است.

پس از بهینه‌سازی فوکوس کورونوگراف، مهندسان به ابزار میدان وسیع برای یک دور دیگر تنظیمات بازگشتند.

کیفیت تصویر رُمان تقریباً ۳۰ درصد بهتر از انتظارات است

اندازه‌گیری‌های نهایی یک نتیجه به‌ویژه چشمگیر را نشان داد. ابزار میدان وسیع رُمان به عملکرد نوری نزدیک به ۳۰ درصد بهتر از آنچه تیم پیش‌بینی کرده بود، دست یافت.

قبل از پرتاب، مهندسان یک نیاز کیفیت تصویر حدود ۹۰ نانومتر RMS (میانگین مربعات ریشه) تعیین کردند. این اندازه‌گیری میزان خطای نوری در سیستم یا میزان انحراف نور ورودی از یک موج کامل ایده‌آل را توصیف می‌کند.

برای درک این مقیاس، ۹۰ نانومتر تقریباً ۱۰۰۰ برابر نازک‌تر از یک موی انسان است. در این ابعاد کوچک، حتی نقص‌های به ظاهر ناچیز می‌توانند بر وضوح تصاویر نجومی تأثیر بگذارند.

با این حال، پس از آخرین اصلاحات، مهندسان خطای نوری تنها ۶۳ نانومتر RMS را اندازه‌گیری کردند که به طور قابل توجهی بهتر از نیاز اولیه بود.

این بهبود به این معنی است که رُمان باید قادر به تولید تصاویر حتی واضح‌تری نسبت به آنچه طراحان آن در ابتدا انتظار داشتند باشد و توانایی آن را برای انجام مشاهدات دقیق در مناطق وسیعی از آسمان تقویت می‌کند.

جورلینگ گفت: «تمام تصاویر حاصل از بررسی‌های کیهانی رُمان حتی واضح‌تر از آنچه انتظار می‌رفت خواهد بود. این نتیجه سال‌ها مدل‌سازی دقیق، اندازه‌گیری دقیق و آزمایش است.»

با عملکرد هر دو ابزار علمی مطابق یا فراتر از انتظارات خود، رُمان یک نقطه عطف مهم دیگر را در آماده‌سازی خود برای مشاهدات روتین پشت سر گذاشته است. این نتایج بر دقت خارق‌العاده طراحی تلسکوپ تأکید می‌کند و چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای را برای تحقیقات آینده آن در ساختار پنهان و تکامل جهان ارائه می‌دهد.