Оптичний елемент телескопа () — одна з трьох основних секцій космічного телескопа Джеймса Вебба, великого інфрачервоного космічного телескопа, запущеного 25 грудня 2021, що складається з головного дзеркала, вторинних дзеркал, каркаса та елементів керування для підтримки дзеркал, а також різних теплових та інших систем.

Оптичний елемент телескопа збирає інфрачервоне світло та спрямовує його до наукових приладів у другій головній секції телескопа Джеймса Вебба — інтегрованому модулі наукових інструментів (ISIM). Оптичний елемент телескопа часто порівнюють з «оком» обсерваторії, а його опорну раму — з її «хребтом». Третім основним компонентом космічного телескопа Джеймса Вебба є елемент космічного апарата (), до якого входять платформа та сонцезахисний екран.

Оптичний елемент телескопа побудовано за схемою тридзеркального анастигмата з ефективним відносним отвором 20 і фокусною відстанню 131,4 м. Головне дзеркало складається з 18 шестикутних сегментів завширшки 1,32 метра між протилежними сторонами кожен. Точне юстування цих сегментів забезпечує ефективну апертуру 6,5 м і загальну збиральну площу 25,4 м². Опукле кругле вторинне дзеркало діаметром 0,74 м спрямовує світло в підсистему задньої оптики (частину оптичного елемента телескопа), де розташовані нерухоме третинне дзеркало та рухоме дзеркало точного наведення (). Усі дзеркала виготовлено з позолоченого берилію, який обрали за малу масу, стабільність форми за низьких температур і високий коефіцієнт відбиття інфрачервоного випромінювання.

Основним субпідрядником для створення оптики космічного телескопа Джеймса Вебба виступила компанія Ball Aerospace, а до команди з розробки дзеркал увійшли Brush Wellman (формування заготовок), Axsys Technologies (надання форми) та (полірування). Остаточне збирання компонентів оптичного елемента телескопа в єдину систему виконала компанія L3Harris Technologies.

Огляд

Оптичний елемент телескопа об'єднує більшість оптичних і конструктивних вузлів космічного телескопа Джеймса Вебба, зокрема головне дзеркало. Він також містить дзеркало точного наведення, яке забезпечує фінальну надточну орієнтацію, працюючи разом із приладом FGS-NIRISS, іншими системами керування та датчиками на платформі.

Початкове юстування сегментів головного дзеркала виконують за допомогою алгоритму грубого фазування. Для точнішого налаштування використовують спеціальні оптичні пристрої всередині камери NIRCam, які застосовують метод відновлення фази хвильового фронту, досягаючи похибки хвильового фронту менше 150 нм. Щоб дзеркало працювало як єдина фокусувальна поверхня, усі 18 сегментів потребують винятково точного узгодження між собою. Цю операцію проводять безпосередньо у відкритому космосі, тому перед запуском на Землі провели ретельні випробування для перевірки її надійності. Кожен сегмент закріплено на шести актуаторах, здатних змінювати його положення з кроком у 5 нм. Поділ дзеркала на сегменти зумовлений передусім потребою знизити загальну масу, адже вага дзеркала безпосередньо залежить від його розміру. З цієї ж причини матеріалом обрали легкий берилій. Хоча в невагомості вага дзеркала практично зникає, конструкція має бути надзвичайно жорсткою для збереження заданої форми. Підсистема контролю та вимірювання хвильового фронту забезпечує роботу 18 сегментів як єдиного монолітного дзеркала, зокрема завдяки постійному активному відстеженню й усуненню оптичних викривлень. Для цього телескоп проходить дев'ять послідовних етапів дистанційного юстування. Іншим критично важливим чинником є стабільність опорної рами головного дзеркала, яку виготовили з графітового композиту, інвару й титану.

ADIR (, «задній розгортуваний інфрачервоний радіатор») — це радіатор, розташований позаду головного дзеркала, який допомагає підтримувати низьку температуру телескопа. Обсерваторія має два такі радіатори, виготовлені з високочистого алюмінію. На них нанесли спеціальне чорне покриття, яке сприяє ефективному випромінюванню тепла у космічний простір.

Основні складові оптичного елемента телескопа за даними NASA: Головне дзеркало (18 сегментів) Вторинне дзеркало (діаметр 74 см) Третинне дзеркало (у підсистемі задньої оптики) Дзеркало точного наведення (у підсистемі задньої оптики) Конструкція телескопа опорна рама головного дзеркала опорна конструкція основної рами () тримач вторинного дзеркала розгортана башта телескопа Підсистема теплового режиму Задній розгортуваний інфрачервоний радіатор () Підсистема контролю та вимірювання хвильового фронту

Підсистема задньої оптики містить третинне дзеркало та дзеркало точного наведення. Одне із завдань дзеркала точного наведення — стабілізація зображення.

Металевий берилій обрали з низки причин: через невелику масу, а також через низький коефіцієнт теплового розширення за кріогенних температур порівняно зі склом. Крім того, берилій немагнітний і добре проводить електрику та тепло. Серед інших інфрачервоних телескопів берилієві дзеркала використовували IRAS, COBE та «Спітцер». Маломасштабний берилієвий модельний демонстратор () успішно пройшов випробування за кріогенних температур; особливу увагу приділяли шорсткості поверхні за температур, близьких до абсолютного нуля. Берилієві дзеркала вкриті найтоншим шаром золота, який ефективно відбиває інфрачервоне світло. Вісімнадцять шестикутних сегментів об'єднані в одне спільне дзеркало із загальним діаметром 6,5 м.

DTA

В основі оптичного елемента телескопа розташований критично важливий вузол — розгортувана баштова збірка (), яка з'єднує оптичний елемент телескопа з платформою. Вона має розсувається, щоб сонцезахисний екран міг розгорнутися й утворити вільний простір між своїми п'ятьма шарами. Секція сонцезахисного екрана містить численні складові, зокрема шість розширювачів по краях, які розводять шари в шести кутах.

Під час запуску DTA перебуває у складеному стані й висувається у визначений момент польоту. Розгорнута башта дозволяє повністю розправити шари сонцезахисного екрана. Крім того, DTA термоізолює холодну секцію оптичного елемента телескопа від нагрітої платформи. Якщо сонцезахисний екран захищає оптичний елемент телескопа від прямого сонячного світла та послаблює теплове випромінювання, то іншим шляхом передачі тепла залишається механічний зв'язок із рештою апарата. Тоді як сонцезахисний екран рятує телескоп від нагрівання променями Сонця, DTA захищає його від тепла всієї конструкції — подібно до того, як ручка сковороди оберігає руку від тепла плити.

DTA висувається за допомогою двох телескопічних труб, які рухаються одна в одній на роликах: внутрішньої та зовнішньої. Конструкцію розсуває електродвигун, що обертає гайку гвинтової передачі, розштовхуючи труби в різні боки. У повністю розгорнутому стані довжина DTA становить 3 м. Труби DTA виготовлено з вуглепластикового графітового композиту, розрахованого на екстремальні умови відкритого космосу.

Хронологія Грудень 2001: опубліковано остаточні результати випробувань демонстраційного зразка SBMD. Квітень 2012: завершено збирання опорної конструкції рами головного дзеркала. Листопад 2015: встановлено перший сегмент головного дзеркала. Грудень 2015: змонтовано половину сегментів головного дзеркала. 3 лютого 2016: встановлено останній із 18 сегментів головного дзеркала. 3 березня 2016: змонтовано вторинне дзеркало. Березень 2016: встановлено підсистему задньої оптики. Травень 2016: оптичний елемент телескопа та інтегрований модуль наукових інструментів об'єднали в єдиний блок OTISMaurice Te Plate, Stephan Birkmann, Marco Sirianni, Timothy Rawle, Catarina Alves de Oliveira, Torsten Böker, Elena Puga, Nora Lützgendorf, Anthony Marston, Peter Rumler, Peter Jensen, Giovanna Giardino, Pierre Ferruit, Ralf Ehrenwinkler, Peter Mosner, Hermann Karl, Martin Altenburg, Marc Maschmann, Robert Rapp, Corbett Smith, Patrick Ogle, Maria Pena Guerrero, Charles Proffitt, Rai Wu, Graham Kanarek, and James Muzerolle «JWST's near infrared spectrograph status and first OTIS test results», Proc. SPIE 10698, Space Telescopes and Instrumentation 2018: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 1069807 (6 July 2018); .

Дослідні стенди

Створення дієздатного головного дзеркала вважали одним із найскладніших викликів під час розробки космічного телескопа Джеймса Вебба. У межах проєкту інженери перевіряли та випробовували системи телескопа на різноманітних різного призначення та масштабу.

Для відпрацювання технологій створювали дослідні зразки, експериментальні стенди та інженерні тестові модулі. Іноді один і той самий об'єкт виконував кілька завдань або ж існував суто як програмна модель без фізичного втілення. Наприклад, проєкт NEXUS мав стати повноцінним космічним телескопом — по суті, зменшеною копією космічного телескопа Джеймса Вебба із низкою спрощень: він містив лише три сегменти дзеркала (один із них розгортався), що формували головне дзеркало діаметром 2,8 м. Завдяки меншій масі його планували запустити вже у 2004 році ракетою-носієм «Дельта-2». Наприкінці 2000 року проєкт скасували. На той час концепція телескопа ще передбачала діаметр 8 м із площею поверхні 50 м², проте за кілька років параметри зменшили до 6,5 м із площею 25 м².

Дослідний зразок OTE Pathfinder

Одним з етапів розробки космічного телескопа Джеймса Вебба стало виготовлення дослідного зразка оптичного елемента телескопа — OTE Pathfinder. У конструкції OTE Pathfinder використали два додаткові сегменти головного дзеркала та одне додаткове вторинне дзеркало. Він поєднав різноманітні компоненти, щоб відпрацювати взаємодію систем цієї секції, зокрема наземного допоміжного обладнання (). Завдяки цьому інженери протестували обладнання GSE перед його застосуванням на самому телескопі Джеймса Вебба й відпрацювали монтаж сегментів дзеркала. На відміну від повноцінного телескопа, каркас OTE Pathfinder містить не 18, а лише 12 комірок, проте дає змогу випробувати опорну конструкцію рами.

Додаткові випробування та моделі

Під час створення космічного телескопа Джеймса Вебба фахівці виготовили численні дослідні вироби та демонстратори технологій. Перші прототипи довели принципову можливість реалізації базових технологій телескопа. Інші тестові зразки допомогли знизити ризики всієї програми, адже інженери відпрацьовували процедури не на реальному льотному апараті, а на макетах.

Ще один дослідний стенд — Test Bed Telescope — був копією головного дзеркала в масштабі 1:6 із полірованими сегментами та діючими актуаторами. Він працював за кімнатної температури та слугував для відпрацювання всіх операцій із юстування сегментів телескопа Джеймса Вебба. Інший стенд для тестування оптики, JOST (JWST Optical Simulation Testbed), використовував мікроелектромеханічну систему з шестикутними сегментами, яка відтворювала ступені вільності під час вирівнювання та фазування головного дзеркала.

До 2001 року інженери створили та випробували масштабований демонстратор берилієвої моделі (), який підтвердив дієвість ключових технологій для проєкту, що невдовзі дістав назву «Космічний телескоп Джеймса Вебба» (раніше — «Космічний телескоп наступного покоління», ). SBMD був дзеркалом діаметром пів метра, спресованим з порошкового берилію. Масу виробу знизили за допомогою спеціальної технології полегшення конструкції: зайвий матеріал вилучили так, щоб зберегти відбивну здатність дзеркала, завдяки чому прибрали 90 % початкової маси SBMD. Потім дзеркало встановили на жорстку опорну плиту на гнучких титанових опорах і провели серію випробувань. Його охолодили до цільових наднизьких температур, перевіривши оптичні та фізичні характеристики в екстремальних умовах. Тестування виконали за допомогою оптичної вимірювальної системи (), створеної спеціально для роботи з SBMD. Зразок мав відповідати всім вимогам до космічних дзеркал, і набутий досвід став фундаментальним для розробки космічного телескопа Джеймса Вебба. Випробування пройшли в лабораторії рентгенівського калібрування у Центрі космічних польотів імені Маршалла (штат Алабама, США). До складу OTS увійшли WaveScope та лазерний віддалемір Leica Disto Pro.