Ingeniería y validación de la óptica del telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA

Un técnico óptico yace en un trampolín suspendido entre los espejos primario y secundario del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA. La foto es un reflejo proyectado a través de la trayectoria óptica del telescopio. El técnico dirige un haz de luz a través del sistema óptico hacia la futura ubicación del Instrumento de Campo Amplio, mostrando cómo la luz de fuentes cósmicas viajará a través del telescopio una vez que se lance la misión. (Imagen:NASA/Chris Gunn)

Cuando se lance a más tardar en mayo de 2027, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) servirá como un poderoso ojo en el espacio profundo, capturando imágenes de miles de millones de galaxias distantes y explorando los misterios de la materia oscura, las supernovas y otros fenómenos cósmicos.

El objetivo principal del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace es estudiar grandes áreas del cielo de forma rápida y repetida con alta precisión para mapear la distribución de la materia normal (bariónica) y la materia oscura y mapear la tasa de expansión cósmica en varias épocas para sondear la energía oscura. Esta información es fundamental para nuestra comprensión de los orígenes del universo y para ayudar a los científicos a comprender lo que sucederá en el futuro lejano del cosmos en rápida expansión. También utilizará grandes estudios para estudiar los sistemas planetarios alrededor de otras estrellas y saber si los sistemas solares como el nuestro son comunes, raros o quizás únicos.

Esta foto muestra el conjunto del telescopio óptico del telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que fue entregado recientemente a la sala limpia más grande del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la agencia en Greenbelt, Maryland. (Imagen:NASA/Chris Gunn)

En noviembre de 2024 se logró un hito importante del programa con la entrega del conjunto de telescopio óptico (OTA) completamente completado y probado de L3Harris a la NASA. Este hardware actúa como los "ojos" del observatorio, recogiendo y acondicionando la luz del cosmos para su uso por los dos instrumentos de la misión.

Como socio confiable de la NASA, a L3Harris se le asignó la tarea de diseñar, fabricar, integrar y probar la OTA. Esto incluye un espejo primario de 2,4 metros (8 pies) de diámetro, así como otros nueve espejos más pequeños, estructuras robustas para alinear los espejos entre sí y numerosos sistemas de soporte necesarios para permitir que el telescopio funcione en el duro entorno del espacio.

Desde el comienzo del programa, la OTA se ha desarrollado para satisfacer las necesidades únicas y desafiantes establecidas por la NASA y la comunidad científica para esta misión. Una de las principales áreas de interés del equipo del telescopio fue desarrollar las tecnologías necesarias para proporcionar un sistema que pudiera satisfacer las necesidades extremas de estabilidad óptica de la misión. Esto incluyó el desarrollo de un nuevo material compuesto de carbono patentado con coeficientes de expansión térmica (CTE) más bajos que los alcanzados anteriormente, tan bajos que fue necesario desarrollar nuevas técnicas para medir sus propiedades. Debido al CTE extremadamente bajo, una pieza de este material tan larga como un campo de fútbol solo cambiaría su longitud en 100 micrones (el ancho de un cabello humano) cuando su temperatura cambia en 100 grados Fahrenheit (55 grados Celsius).

Esta foto muestra todo el sistema óptico del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA. Consta de 10 espejos, incluidos los espejos primarios de 2,4 metros (7,9 pies) que se ven en la base de esta imagen, que se denomina conjunto óptico de imágenes (IOA). (Imagen:NASA/Chris Gunn)

Incluso con materiales tan estables, la temperatura del telescopio debe permanecer constante para lograr los objetivos de la misión. L3Harris desarrolló una nueva arquitectura de control y detección de temperatura capaz de mantener estables áreas clave del telescopio a unas pocas milésimas de grado Celsius incluso cuando diferentes partes del observatorio están expuestas al calor abrasador del sol o enfrentan las temperaturas casi cero absoluto del espacio exterior. Este sistema de control térmico de última generación garantiza que las estructuras y la óptica dentro del telescopio permanezcan ultraestables (cambios subnanómetros en el error del frente de onda) y continúen brindando mediciones científicas precisas incluso cuando se experimenten diferentes extremos térmicos.

La OTA está diseñada de manera que una vez que llegue a su destino operativo final a un millón de millas de la Tierra tendrá un rendimiento óptico óptimo. Eso significa que el diseño tuvo que tener en cuenta incluso los pequeños efectos de la gravedad en la Tierra y el enfriamiento del telescopio hasta las temperaturas de funcionamiento. Los ingenieros de L3Harris realizaron extensas simulaciones para predecir los cambios que ocurrirán en el telescopio a medida que pasa de la gravedad de la Tierra a temperatura ambiente a su entorno frío de gravedad cero en el espacio. Estos cambios anticipados se tienen en cuenta durante el diseño, fabricación y alineación de la óptica del telescopio. Además, se pueden mover varias ópticas clave para proporcionar correcciones a cualquier incógnita en las predicciones.

Una representación generada por computadora del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace completo, que lleva el nombre del primer Director de Astronomía y Heliofísica de la NASA. (Imagen:NASA)

La OTA entró en una fase crítica a principios de 2024 cuando se realizó la alineación óptica final de sus distintos espejos. Esto requirió que las 10 ópticas estuvieran alineadas y posicionadas entre sí con precisión microscópica y luego fijadas permanentemente en su lugar. Errores de desalineación tan pequeños como una décima parte del ancho de un cabello humano degradarían el rendimiento de imágenes del telescopio. Para lograr una precisión de alineación tan extrema, se utilizó un sistema de cámara especial llamado interferómetro para monitorear los espejos con una precisión de nivel nanométrico y proporcionar retroalimentación durante este proceso de alineación crucial.

Después de la alineación final, el telescopio se sometió a rigurosas pruebas dinámicas que abarcan el entorno extremo que experimentará cuando se lance al espacio encaramado en la parte superior de un cohete. Esto incluyó someter el telescopio a niveles de sonido acústico más fuertes que los que se experimentarían al lado de un motor a reacción, así como a fuerzas de aceleración varias veces superiores a las que experimenta el piloto de un avión de combate durante las maniobras de alta gravedad.

La prueba final que la OTA debía pasar era una prueba de vacío térmico en la que se evaluaba el rendimiento del sistema mientras se sometía a condiciones que simulaban el duro entorno que experimentaría la OTA mientras estuviera en el espacio. Esta prueba se llevó a cabo en una gran cámara de vacío en una instalación de L3Harris en Rochester, Nueva York. Las paredes internas de la cámara de vacío se enfriaron con nitrógeno líquido para proporcionar un ambiente muy frío, y el telescopio se enfrió a temperaturas tan bajas como -120 grados Fahrenheit (-85 grados Celsius). La OTA demostró su capacidad para mantener las temperaturas deseadas y al mismo tiempo proporcionar un rendimiento óptico exquisito que cumplió con todos los requisitos con margen de sobra. Tras la finalización exitosa de esta prueba, la OTA fue entregada al Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA para ser integrada junto con los instrumentos científicos y el vehículo de la nave espacial.

Cuando se lance el Telescopio Espacial Romano, se unirá al Telescopio Espacial James Webb de la NASA que orbita el punto L2 de Lagrange, a 1,5 millones de kilómetros (1 millón de millas) directamente "detrás" de la Tierra vista desde el Sol. Roman ha sido diseñado para trabajar en conjunto con el Telescopio Webb para realizar observaciones científicas complementarias que proporcionarán mayores conocimientos sobre los fenómenos cosmológicos que los que cualquiera de las misiones podría lograr por sí sola. El Telescopio Espacial Romano podrá capturar imágenes de grandes áreas del cielo con una resolución similar a la del Telescopio Espacial Hubble, aunque lo hará 1000 veces más rápido que el Hubble. Esto permite realizar estudios de grandes áreas del cielo con extrema precisión para identificar objetivos de interés para el Telescopio Espacial Webb.

Roman también será el gran telescopio espacial más estable jamás construido, al menos 10 veces más estable que el Webb y 100 veces más estable que el Hubble. Esta estabilidad óptica es una característica crítica del sistema que permitirá a los científicos probar teorías fundamentales de la cosmología de maneras nunca antes posibles. Y cuando el telescopio ultraestable se combina con el coronógrafo, demuestra capacidades clave en el camino hacia la próxima misión astrofísica emblemática de la NASA, el Observatorio de Mundos Habitables, y su objetivo de encontrar planetas que puedan albergar vida.

La entrega del Telescopio Espacial Romano OTA es el último hito en la larga asociación de L3Harris con la NASA. Durante más de 60 años, L3Harris ha proporcionado sistemas de imágenes de vanguardia y otras soluciones que promueven la exploración del universo. Desde los telescopios Hubble, Chandra y James Webb hasta la Estación Espacial Internacional y el Mars Rover, L3Harris ha estado con la NASA en cada paso del camino, ampliando los límites del descubrimiento humano.

Este artículo fue escrito por Peter Miller, ingeniero jefe de sistemas, L3Harris Technologies (Rochester, Nueva York). Para obtener más información, visita aquí  .