Ingeniería y Validación de la Óptica del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA

Un técnico óptico se recuesta sobre una tabla de salto suspendida entre los espejos primario y secundario del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA. La fotografía muestra 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, demostrando cómo la luz de fuentes cósmicas viajará a través del telescopio una vez que la misión se lance. (Imagen: NASA/Chris Gunn)

Un ojo poderoso en el espacio profundo

Con un lanzamiento previsto no más tarde de mayo de 2027, el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA) servirá como un ojo poderoso 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.

Objetivos científicos principales

El objetivo principal del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman es inspeccionar 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 medir la tasa de expansión cósmica en diversas épocas para sondear la energía oscura. Esta información es fundamental para comprender los orígenes del universo y ayudar a los científicos a entender qué sucederá en el futuro lejano del cosmos en rápida expansión. Además, utilizará amplios estudios para investigar sistemas planetarios alrededor de otras estrellas y determinar si sistemas solares como el nuestro son comunes, raros o quizás únicos.

Esta foto muestra el Conjunto Óptico del Telescopio (OTA, por sus siglas en inglés) para el 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)

Hito importante del programa

En noviembre de 2024 se alcanzó un hito importante del programa con la entrega del Conjunto Óptico del Telescopio (OTA) completamente terminado y probado desde L3Harris a la NASA. Este hardware actúa como los "ojos" del observatorio, recolectando y acondicionando la luz del cosmos para su uso por los dos instrumentos de la misión.

Diseño, fabricación e integración a cargo de L3Harris

Como socio de confianza de la NASA, L3Harris tuvo a su cargo el diseño, fabricación, integración y prueba del OTA. Esto incluye un espejo primario de 2,4 metros (8 pies) de diámetro, así como 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.

Tecnologías para una estabilidad óptica extrema

Desde el inicio del programa, el OTA se desarrolló para satisfacer las necesidades desafiantes y únicas establecidas por la NASA y la comunidad científica para esta misión. Uno de los principales enfoques del equipo del telescopio fue desarrollar las tecnologías necesarias para proporcionar un sistema que pudiera cumplir con los requisitos extremos 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 logrados anteriormente —tan bajos que se necesitaron nuevas técnicas para medir sus propiedades. Debido al CTE extremadamente bajo, una pieza de este material tan larga como un campo de fútbol americano solo cambiaría su longitud en 100 micrones (el ancho de un cabello humano) cuando su temperatura cambiara 100 grados Fahrenheit (55 grados Celsius).

Esta foto muestra todo el sistema óptico del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA. Consta de 10 espejos, incluido el espejo primario de 2,4 metros (7,9 pies) que se ve en la base de esta imagen, denominado conjunto óptico de imagen (IOA). (Imagen: NASA/Chris Gunn)

Control térmico de última generación

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 detección y control de temperatura capaz de mantener áreas clave del telescopio estables a unas pocas milésimas de grado Celsius, incluso mientras diferentes partes del observatorio están expuestas al calor abrasador del sol o frente a temperaturas cercanas al 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 subnanométricos en el error de frente de onda) y continúen proporcionando mediciones científicas precisas incluso al experimentar diferentes extremos térmicos.

Diseño que prevé el entorno espacial

El OTA está diseñado de manera que, una vez que alcance 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 diminutos efectos de la gravedad en la Tierra y el enfriamiento del telescopio hasta las temperaturas de operación. Los ingenieros de L3Harris realizaron extensas simulaciones para predecir los cambios que ocurrirán en el telescopio al pasar de la gravedad terrestre a temperatura ambiente a su entorno frío y 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, varias ópticas clave pueden moverse para proporcionar correcciones ante cualquier incertidumbre en las predicciones.

Una representación generada por computadora del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman completado, nombrado en honor a la primera Directora de Astronomía y Heliofísica de la NASA. (Imagen: NASA)

Alineación óptica final con precisión microscópica

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

Pruebas dinámicas rigurosas

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

Prueba de vacío térmico: el examen final

La prueba final que el OTA necesitaba superar era una prueba de vacío térmico donde se evaluó el rendimiento del sistema mientras se sometía a condiciones que simulan el duro entorno que el OTA experimentará en el espacio. Esta prueba tuvo lugar 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 entorno muy frío, y el telescopio se enfrió a temperaturas tan bajas como -120 grados Fahrenheit (-85 grados Celsius). El OTA demostró su capacidad para mantener las temperaturas deseadas mientras proporcionaba un rendimiento óptico exquisito que cumplía todos los requisitos con margen de sobra. Tras la finalización exitosa de esta prueba, el OTA fue entregado al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA para ser integrado junto con los instrumentos científicos y el vehículo espacial.

Complementando al Telescopio James Webb

Cuando el Telescopio Espacial Roman sea lanzado, se unirá al Telescopio Espacial James Webb de la NASA orbitando el punto de Lagrange L2 —a 1,5 millones de kilómetros (1 millón de millas) directamente "detrás" de la Tierra visto 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 fenómenos cosmológicos de los que cualquiera de las dos misiones podría lograr por sí sola. El Telescopio Espacial Roman podrá capturar imágenes de grandes áreas del cielo con una resolución similar a la del Telescopio Espacial Hubble, pero lo hará 1000 veces más rápido que Hubble. Esto permite estudios de grandes áreas del cielo con extrema precisión para identificar objetivos de interés para el Telescopio Espacial Webb.

El telescopio espacial grande más estable jamás construido

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

Una asociación de más de 60 años

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

Este artículo fue escrito por Peter Miller, Ingeniero Jefe de Sistemas, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Para más información, visite aquí.