Optimierung der Bildschärfe von Weltraumteleskopen durch Vibrationsisolierung

Das Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman), ehemals Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), ist ein Weltraumobservatorium der NASA, das bis Mai 2027 ins All starten soll.

Die Römisches Weltraumteleskop wird zwei Instrumente enthalten: das Coronagraph-Instrument, das Technologien für die Spektroskopie und extrem kontrastreiche Bildgebung aus dem Weltraum vorantreibt; und das Wide Field Instrument (WFI), das den Schwerpunkt auf die Untersuchung der Evolution des Universums und das Verständnis dafür legt, wie Sonnensysteme jenseits unseres eigenen beschaffen sind.

1998 entdeckten Wissenschaftler, dass sich die Expansionsrate des Universums beschleunigt. Dies veranlasste die Forscher, ihre Theorien über die Entstehung des Universums zu überdenken.

Sichtbare Materie macht etwa 5 % des Inhalts des Universums aus. Im Vergleich dazu stammen 27 % des Universums aus dunkler Materie, die weder Licht absorbiert noch emittiert. Dunkle Materie kann nur durch ihre Gravitationswirkung auf sichtbare Materie nachgewiesen werden.

Ein erheblicher Teil von Romans Mission wird dazu dienen, Hunderttausende entfernter Galaxien auf Supernova-Explosionen zu überwachen. Diese können verwendet werden, um die Expansion des Universums und dunkle Energie zu untersuchen.

Romans primäres Instrument ist das Wide Field Instrument (WFI). Dieses wird ein 100-mal größeres Sichtfeld haben als die breiteste Aufnahme des Hubble-Teleskops, wodurch es mehr Himmel mit weniger Beobachtungszeit erfassen kann. Während der ersten fünf Beobachtungsjahre wird Roman über 50-mal so viel Himmel abbilden, wie Hubble in 30 Jahren erfasst hat. Während der Laufzeit der Mission wird das WFI Lichtmessungen von einer Milliarde Galaxien erhalten.

Sternenlicht schattieren

Die Entdeckung erdähnlicher Planeten mit Atmosphären kann auf die Fähigkeit hinauslaufen, Sternenlicht von einem Teleskop zu blockieren. Das mag nach einer großen Herausforderung klingen, aber das Sternenlicht wird seit 1931 blockiert, als Bernard Lyot, ein französischer Astronom, den ersten Koronographen vorstellte. Ein Koronograph ist ein Zusatzgerät für ein Teleskop, das das direkte Licht eines Sterns blockiert. Dadurch können Objekte in der Nähe beobachtet werden, die sonst im hellen Schein des Sterns verborgen wären.

Das römische Weltraumteleskop der NASA. Bildnachweis: NASA/GSFC

Die Römisches Weltraumteleskop verwendet ein Coronagraph-Instrument, das eine hochkomplexe und vielschichtige Technologie ist. Dieses komplizierte System besteht aus Prismen, Masken, Detektoren und zwei selbstbiegenden Spiegeln (verformbaren Spiegeln). Diese Spiegel sind aktive Komponenten, d. h. sie ändern ihre Form in Echtzeit und passen sich dem einfallenden Licht an, um winzige Änderungen in der Optik des Teleskops und Vibrationen des Observatoriums auszugleichen.

In Verbindung mit Hightech-„Masken“ und anderen Komponenten – zusammenfassend als „aktive Wellenfrontsteuerung“ bekannt – eliminieren die verformbaren Spiegel die Interferenz, die durch Lichtwellen verursacht wird, die sich um die Kanten der lichtblockierenden Elemente des Koronographen biegen. Dies führt zu stark gedimmtem Sternenlicht, während schwach leuchtende Objekte (die zuvor nicht sichtbar waren) relativ ungedimmt erscheinen.

Testen kritischer Komponenten

Die High-Contrast Imaging Testbed (HCIT)-Anlage am JPL der NASA ist ein großes optisches Labor, das drei optische Testbeds in Vakuumkammern beherbergt, die zur Weiterentwicklung von Coronagraph-Technologien für den Weltraum entwickelt wurden.

Der römische Prüfstand ist eine 6 Fuß breite Vakuumkammer mit einem 7,5 Fuß zylindrischen Abschnitt, der Tische mit einer Länge von bis zu 8 Fuß aufnehmen kann, wenn man die nach außen gerichtete Wölbung der Endkappentüren berücksichtigt.

Daten- und Stromkabel, Glasfasern und Wasserleitungen werden durch Seitenwandanschlüsse geführt. Zwei Anschlüsse werden von Kameraversorgungskabeln belegt, die die Laborluft mit den am Tisch montierten Kameragehäusen verbinden. Dies ermöglicht die Verwendung von Andor Neos CMOS-Kameras als wissenschaftliche Detektoren in der Kammer, obwohl sie nicht mit Vakuum kompatibel sind.

Die Beine haben einen manuellen Einstellbereich, der es ihnen ermöglicht, sie zurückzugeben und Änderungen in der Gewichtsverteilung auf dem Tisch nach Hardware-Modifikationen zu berücksichtigen.

Das Testbed umfasst eine Reihe von Instrumenten, darunter Temperatursensoren und Beschleunigungsmesser, und es ist geplant, Kontaminationsmonitore hinzuzufügen. Die Temperatur der Kammerwand ist unter Verwendung eines einfachen Steuersystems innerhalb von ±0,1 K konstant. Komplexere Steuerungen stabilisieren die Temperatur des verformbaren Spiegels (DM) auf Milli-K-Niveaus.

Innerhalb von Roman befinden sich die Bank und die Unterbank der optischen Teleskopbaugruppe (OTA) auf unabhängigen PI-Wärmeregelkreisen, wodurch die mittlere Banktemperatur unter normalen Bedingungen bei 30 mK PV stabil bleiben kann. Die Kammer selbst wird durch eine PID-Schleife, die mit einer Heizband-Isolierschicht implementiert ist, die auf 50 mK PV stabilisiert werden kann, auf einen Sollwert über der Laborumgebung geregelt.

Alle optischen Halterungen sind aus Invar mit Optikbindungen innerhalb von Biegehalterungen konstruiert, wodurch die Auswirkungen von verbleibenden thermischen Schwankungen auf das System reduziert werden. Die beiden Kameras und die DM-Elektronik sind die primären Wärmequellen auf dem Tisch und werden mit einem Paar externer Wasserkühlkreisläufe gekühlt.

Die römische Vakuumkammer.

Die römische Vakuumkammer. Bildnachweis: Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology

Ein Teleskopsimulator auf einer Unterbank ist kinematisch an der nordwestlichen Ecke der Bank montiert und simuliert das vordere Ende des Teleskops. Diese umfasst einen Simulator für die optische Teleskopanordnung, die die stromaufwärtige Pupille definiert und nicht kollimiertes Licht bereitstellt, und einen Jitter-Spiegel (JM), um Neigungs-/Kippfehler kontrolliert in den Koronographen zu injizieren.

Die Testumgebung für dekadische Umfragen (DST) ist ein hochmodernes Testbed, das entwickelt wurde, um die Coronagraph-Technologien zu demonstrieren, die für eine Mission benötigt werden, die Roman folgen wird.

Diese Mission zielt darauf ab, erdähnliche Exoplaneten direkt abzubilden und zu charakterisieren und erfordert zwei deformierbare Spiegel (DMs) zur Wellenfrontsteuerung, einen Sternquellensimulator, Koronographenmasken, eine Bildkamera und einen Wellenfrontsensor.

Das optomechanische Design des DST reduziert Störungen aus dem Labor und der lokalen Umgebung.

Als Fundament besteht der DST aus einem optischen Tisch aus Kohlefaser, der bei thermischen Schwankungen stabil bleibt. Es besteht auch aus einer aktiven Temperaturregelung und den SM-1CV-Vibrationsisolatoren mit negativer Steifigkeit von Minus K. Diese sind auf den Einsatz in der Vakuumkammer zugeschnitten, um die Empfindlichkeit gegenüber Labor- und mikroseismischen Schwingungen zu minimieren.

Testen kritischer Komponenten

Das römische Weltraumteleskop wird monatelang alle 15 Minuten Hunderte Millionen Sterne beobachten – eine Fähigkeit, über die kein anderes Weltraumteleskop verfügt. Roman wird Hunderte interessanter kosmischer Objekte entdecken, darunter Schurkenplaneten, Zwergplaneten, Braune Zwerge (zu massiv, um als Planeten betrachtet zu werden, aber nicht massiv genug, um sich als Sterne zu entzünden), Asteroiden, Kometen und Sternkörper, einschließlich Schwarzer Löcher und Neutronen Sterne, die zurückbleiben, wenn Sterne ihren Brennstoff in unserem Sonnensystem erschöpfen.

Bearbeitet von Steve Varma.

Diese Informationen wurden aus von Minus K Technology bereitgestellten Materialien bezogen, überprüft und angepasst.

Weitere Informationen zu dieser Quelle finden Sie unter Minus-K-Technologie.

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