Reemplazo axial de la óptica correctiva del telescopio espacial

El sistema COSTAR ( Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement ) es un instrumento de corrección óptica diseñado y construido por la NASA . Fue creado para corregir la aberración esférica del espejo primario del Telescopio Espacial Hubble , que enfocaba incorrectamente la luz sobre los instrumentos FOC ( Faint Object Camera ), FOS ( Faint Object Spectrograph ) y GHRS ( Goddard High Resolution Spectrograph ). ^{[ 1 ]}

Fue transportado en transbordador hasta el telescopio en la misión de mantenimiento STS-61 , el 2 de diciembre de 1993, y se instaló con éxito en un período de once días.

Una vez que en 1990 se identificó que el espejo primario del recién lanzado Telescopio Espacial Hubble (HST) era defectuoso debido a que había sido pulido con una forma incorrecta, los ingenieros de la NASA se vieron sometidos a una enorme presión para solucionar el problema. La forma incorrecta del espejo introdujo una grave aberración esférica , un defecto en el que la luz que se refleja en el borde del espejo se enfoca en un punto diferente al de la luz que se refleja en su centro. El efecto del defecto en las observaciones científicas dependía de la observación en particular: el núcleo de la función de dispersión puntual aberrada era lo suficientemente nítido como para permitir observaciones de alta resolución de objetos brillantes, y la espectroscopia de fuentes puntuales solo se vio afectada por una pérdida de sensibilidad. Sin embargo, la pérdida de luz en el gran halo desenfocado redujo gravemente la utilidad del telescopio para objetos débiles o imágenes de alto contraste. Esto significó que casi todos los programas cosmológicos eran esencialmente imposibles, ya que requerían la observación de objetos excepcionalmente débiles. ^{[ 2 ]}

Cuando se lanzó, el HST llevaba cinco instrumentos científicos: la Cámara Planetaria y de Campo Amplio (WFPC), el Espectrógrafo de Alta Resolución Goddard (GHRS), el Fotómetro de Alta Velocidad (HSP), la Cámara de Objetos Débiles (FOC) y el Espectrógrafo de Objetos Débiles (FOS). Dado que era demasiado difícil traer el HST de vuelta a la Tierra para reparaciones, los ingenieros consideraron todo, desde reemplazar el espejo secundario del telescopio enviando a un astronauta en una caminata espacial al tubo óptico del telescopio, hasta instalar una pantalla circular alrededor de la abertura del tubo, lo que reduciría la apertura y mejoraría el enfoque bloqueando las regiones exteriores del espejo primario. ^{[ 3 ]} Finalmente se determinó que, con el HST aún en órbita, podrían reemplazar la WFPC con la Cámara Planetaria y de Campo Amplio 2 mejorada que incorporaría óptica correctiva. ^{[ 3 ]} Esto dejó soluciones por encontrar para los instrumentos restantes. Una opción potencial era insertar óptica correctiva, lentes o espejos en el tubo del telescopio entre el espejo primario y el reflector secundario. Sin embargo, el tubo era demasiado estrecho incluso para que el astronauta más pequeño pudiera deslizarse por él, lo que llevó a la búsqueda de un medio para insertar los componentes correctivos necesarios en el tubo. ^{[ 4 ]}

Se celebró una reunión de crisis de la Agencia Espacial Europea en Alemania para tratar los problemas del telescopio espacial Hubble (HST). Entre los asistentes se encontraba James H. Crocker, ingeniero óptico sénior de Ball Aerospace Corporation. Una mañana, mientras se duchaba en su hotel alemán, observó que la alcachofa de la ducha se desplazaba sobre una varilla vertical y podía ajustarse a diferentes alturas y ángulos. La camarera la había dejado en la base de la varilla, pegada a la pared, ocupando muy poco espacio hasta que Crocker aflojó la abrazadera y la colocó en la posición deseada. Se le ocurrió entonces que podrían montar los componentes correctivos necesarios en un dispositivo que permitiera insertarlos en el tubo antes de desplegarlos mediante brazos robóticos hasta la posición requerida para interceptar los haces de luz del espejo secundario, corregirlos y enfocarlos en los distintos instrumentos científicos. ^{[ 4 ]} Una vez de regreso en Estados Unidos, explicó su idea, que fue inmediatamente adoptada por otros ingenieros que comenzaron a desarrollar lo que para 1990 se había convertido en el Sistema de Reemplazo Axial del Telescopio Espacial de Óptica Correctiva, o COSTAR. El costo presupuestado del COSTAR fue de US$50,000,000. ^{[ 5 ]} Para adaptar el sistema COSTAR al telescopio, uno de los otros instrumentos tuvo que ser retirado, y los astrónomos seleccionaron el Fotómetro de Alta Velocidad para ser sacrificado, que era el menos importante de los cuatro detectores axiales. ^{[ 2 ]}

El diseño final, del tamaño de una cabina telefónica, consistía en pequeños espejos de corrección que se extendían horizontalmente desde una torre extensible. Para la apertura de cada instrumento hay dos espejos, M ₁ y M _2. M _1, que está en la trayectoria de la luz, actúa como espejo de campo y es una esfera simple, mientras que la corrección de la aberración esférica la realiza M _2, que no tiene una forma perfecta y refleja la luz incidente de manera desigual. Sin embargo, las desviaciones se han calculado de manera que sean exactamente inversas a las del espejo principal. Así, después de ser reflejada y corregida por los dos espejos, la luz vuelve a tener la forma correcta. Esta disposición tiene la ventaja de que el campo corregido está libre de coma. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Se utilizaron un total de diez espejos de corrección con diámetros que oscilaban en tamaño de aproximadamente 18 a 24  mm, ya que la cámara de objetos débiles y el espectrógrafo de objetos débiles tenían cada uno dos aperturas para cada uno de sus dos canales de medición, mientras que el espectrógrafo de alta resolución Goddard solo tenía una apertura para ambos canales. ^{[ 5 ]} El diseño se complicó por la necesidad de asegurar que los haces de luz de los instrumentos mencionados anteriormente, que estaban montados en el extremo del tubo del telescopio, no interfirieran con los haces del nuevo WFPC 2, que estaba montado en un lado del tubo del telescopio. ^{[ 4 ]}

En enero de 1991, Ball Aerospace Corp. fue seleccionada por la NASA como contratista principal para llevar a cabo el desarrollo, la producción y la verificación completos de COSTAR, un proceso que duró 26 meses. ^{[ 5 ]} Para calcular las correcciones necesarias, un equipo calculó el error existente examinando las herramientas aún in situ que se utilizaron para fabricar el espejo primario, mientras que otro equipo independiente lo calculó utilizando las imágenes distorsionadas que Hubble había transmitido. Ambos equipos llegaron a resultados de medición prácticamente idénticos. Los espejos de corrección que se produjeron posteriormente fueron luego verificados para detectar errores por dos equipos independientes. Una vez completado, todo el COSTAR fue probado en el Sistema de Alineación COSTAR (CAS). Para verificar cualquier error en el CAS, el COSTAR fue luego montado en el Simulador Optomecánico Hubble (HOMS) especialmente desarrollado, que simulaba los errores en el espejo primario defectuoso, para permitir una prueba de extremo a extremo y, por lo tanto, la verificación de la imagen de salida. El sistema HOMS también fue probado por dos grupos independientes (uno de Ball Aerospace y el otro del Centro de Vuelo Espacial Goddard) utilizando diferentes instrumentos de prueba. La Agencia Espacial Europea también contribuyó al proceso de verificación proporcionando un modelo de ingeniería de la cámara de objetos débiles para brindar una verificación adicional. ^{[ 5 ]}

COSTAR reemplazó al fotómetro de alta velocidad durante la primera misión de mantenimiento del Hubble en 1993. ^{[ 8 ]} El WFPC original fue reemplazado por el WFPC 2 durante la misma misión. ^{[ 4 ]}

El 28 de diciembre de 1993, el Instituto Científico del Telescopio Espacial ordenó al Canadarm que desplegara los espejos en su posición. Las imágenes resultantes confirmaron que el COSTAR había corregido la aberración esférica en el espejo primario. ^{[ 7 ]}

• 
  El satélite COSTAR siendo insertado en el Hubble durante la primera misión de mantenimiento.
• 
  Los astronautas trabajan en la instalación de la óptica correctiva del Hubble durante la Misión de Mantenimiento 1.
• 
  Primer plano del mecanismo de funcionamiento de COSTAR. Los espejos se extienden desde el cuerpo de COSTAR hacia la izquierda.

Los instrumentos posteriores, instalados después del despliegue inicial del HST, fueron diseñados con su propia óptica correctiva. COSTAR fue retirado del HST en 2009 durante la quinta misión de mantenimiento y reemplazado por el espectrógrafo de orígenes cósmicos . Actualmente se exhibe en el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian en Washington, D.C. ^{[ 9 ] [ 3 ]}

• El reemplazo axial del telescopio espacial de óptica correctiva (Costar)
• Imágenes del sistema óptico COSTAR, cortesía del Museo Nacional del Aire y del Espacio.