Engenharia e Validação da Óptica do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA

Um técnico óptico está deitado em uma prancha suspensa entre os espelhos primário e secundário do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA. A foto é uma reflexão projetada através do caminho óptico do telescópio. O técnico direciona um feixe de luz através do sistema óptico em direção à futura localização do Instrumento de Campo Largo, demonstrando como a luz de fontes cósmicas percorrerá o telescópio após o lançamento. (Imagem: NASA/Chris Gunn)

Visão Geral da Missão

Com lançamento previsto para não depois de maio de 2027, o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA servirá como um poderoso olho no espaço profundo, capturando imagens de bilhões de galáxias distantes e explorando os mistérios da matéria escura, supernovas e outros fenômenos cósmicos.

O objetivo principal do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman é mapear grandes áreas do céu de forma rápida e repetida com alta precisão, a fim de mapear a distribuição de matéria normal (bariônica) e matéria escura, além de medir a taxa de expansão cósmica em várias épocas para investigar a energia escura. Essas informações são fundamentais para nossa compreensão das origens do universo e para ajudar os cientistas a entender o que acontecerá no futuro distante do cosmos em rápida expansão. O telescópio também usará grandes levantamentos para estudar sistemas planetários ao redor de outras estrelas, descobrindo se sistemas solares como o nosso são comuns, raros ou talvez únicos.

Entrega do Conjunto Óptico do Telescópio (OTA)

Esta foto mostra o Conjunto Óptico do Telescópio (OTA) para o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que foi recentemente entregue à maior sala limpa do Centro de Voo Espacial Goddard da agência em Greenbelt, Maryland. (Imagem: NASA/Chris Gunn)

Um marco importante do programa foi alcançado em novembro de 2024 com a entrega do Conjunto Óptico do Telescópio (OTA) totalmente concluído e testado, da L3Harris para a NASA. Este hardware atua como os "olhos" do observatório, coletando e condicionando a luz do cosmos para uso pelos dois instrumentos da missão.

Como parceiro confiável da NASA, a L3Harris foi encarregada do projeto, fabricação, integração e testes do OTA. Isso inclui um espelho primário de 2,4 metros (8 pés) de diâmetro, bem como nove outros espelhos menores, estruturas robustas para alinhar os espelhos entre si e diversos sistemas de suporte necessários para permitir que o telescópio opere no ambiente hostil do espaço.

Inovações em Estabilidade Óptica e Térmica

Desde o início do programa, o OTA foi desenvolvido para atender às necessidades desafiadoras e únicas estabelecidas pela NASA e pela comunidade científica para esta missão. Uma das principais áreas de foco da equipe do telescópio foi o desenvolvimento das tecnologias necessárias para fornecer um sistema que pudesse atender às necessidades extremas de estabilidade óptica da missão. Isso incluiu o desenvolvimento de um novo material compósito de carbono proprietário com coeficientes de expansão térmica (CTEs) inferiores aos anteriormente alcançados — tão baixos que novas técnicas tiveram de ser desenvolvidas para medir suas propriedades. Devido ao CTE extremamente baixo, uma peça deste material com o comprimento de um campo de futebol mudaria seu comprimento em apenas 100 mícrons (a largura de um fio de cabelo humano) quando sua temperatura fosse alterada em 100 graus Fahrenheit (55 graus Celsius).

Esta foto mostra todo o sistema óptico do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA. Ele consiste em 10 espelhos, incluindo os espelhos primários de 2,4 metros (7,9 pés) vistos na base desta imagem, que é chamado de conjunto óptico de imagem (IOA). (Imagem: NASA/Chris Gunn)

Mesmo com materiais tão estáveis, a temperatura do telescópio deve permanecer consistente para atingir os objetivos da missão. A L3Harris desenvolveu uma nova arquitetura de detecção e controle de temperatura capaz de manter áreas-chave do telescópio estáveis em alguns milésimos de grau Celsius, mesmo enquanto diferentes partes do observatório são expostas ao calor escaldante do sol ou enfrentam temperaturas próximas ao zero absoluto do espaço sideral. Este sistema de controle térmico de última geração garante que as estruturas e a óptica dentro do telescópio permaneçam ultraestáveis (mudanças sub-nanométricas no erro de frente de onda) e continuem a fornecer medições científicas precisas mesmo sob extremos térmicos diferentes.

Projeto para Desempenho no Espaço

O OTA é projetado de forma que, uma vez atingido seu destino operacional final a um milhão de milhas da Terra, terá desempenho óptico ideal. Isso significa que o projeto teve que contabilizar até mesmo os minúsculos efeitos da gravidade na Terra e o resfriamento do telescópio até as temperaturas operacionais. Engenheiros da L3Harris realizaram simulações extensivas para prever as mudanças que ocorrerão no telescópio à medida que ele passa da gravidade terrestre em temperatura ambiente para seu ambiente frio e de gravidade zero no espaço. Essas mudanças previstas são contabilizadas durante o projeto, fabricação e alinhamento da óptica do telescópio. Além disso, várias ópticas-chave podem ser movidas para fornecer correções para quaisquer incertezas nas previsões.

Uma renderização gerada por computador do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman concluído, nomeado em homenagem à primeira Diretora de Astronomia e Heliofísica da NASA. (Imagem: NASA)

Alinhamento Óptico de Precisão e Testes Rigorosos

O OTA entrou em uma fase crítica no início de 2024, quando o alinhamento óptico final de seus vários espelhos foi realizado. Isso exigiu que as 10 ópticas fossem alinhadas e posicionadas umas em relação às outras com precisão microscópica e, em seguida, permanentemente travadas no lugar. Erros de desalinhamento tão pequenos quanto um décimo da largura de um fio de cabelo humano degradariam o desempenho de imagem do telescópio. Para alcançar tal precisão extrema de alinhamento, um sistema de câmera especial chamado interferômetro foi usado para monitorar os espelhos com precisão de nível nanométrico e fornecer feedback durante este processo crucial de alinhamento.

Após o alinhamento final, o telescópio passou por testes dinâmicos rigorosos que abrangem o ambiente extremo que experimentará ao ser lançado ao espaço no topo de um foguete. Isso incluiu submeter o telescópio a níveis de som acústico mais altos do que os experimentados ao lado de um motor a jato, bem como forças de aceleração várias vezes superiores às que um piloto de caça experimenta durante manobras de alta aceleração.

O teste final que o OTA precisava passar foi um teste térmico a vácuo, onde o desempenho do sistema foi avaliado enquanto submetido a condições que simulam o ambiente hostil que o OTA experimentará no espaço. Este teste ocorreu em uma grande câmara de vácuo em uma instalação da L3Harris em Rochester, Nova York. As paredes internas da câmara de vácuo foram resfriadas com nitrogênio líquido para fornecer um ambiente muito frio, e o telescópio foi resfriado a temperaturas tão baixas quanto -120 graus Fahrenheit (-85 graus Celsius). O OTA demonstrou sua capacidade de manter as temperaturas desejadas enquanto fornecia desempenho óptico requintado que atendeu a todos os requisitos com margem de sobra. Após a conclusão bem-sucedida deste teste, o OTA foi entregue ao Centro de Voo Espacial Goddard da NASA para ser integrado junto com os instrumentos científicos e o veículo espacial.

Colaboração com o Telescópio Espacial James Webb

Quando o Telescópio Espacial Roman for lançado, ele se juntará ao Telescópio Espacial James Webb da NASA orbitando o ponto de Lagrange L2 — 1,5 milhão de quilômetros (1 milhão de milhas) diretamente "atrás" da Terra vista a partir do Sol. O Roman foi projetado para trabalhar em conjunto com o Telescópio Webb para realizar observações científicas complementares que fornecerão insights maiores sobre fenômenos cosmológicos do que qualquer missão poderia realizar sozinha. O Telescópio Espacial Roman será capaz de capturar imagens de grandes áreas do céu com resolução similar à do Telescópio Espacial Hubble, porém o fará 1.000 vezes mais rápido que o Hubble. Isso permite levantamentos de grandes áreas do céu com extrema precisão para identificar alvos de interesse para o Telescópio Espacial Webb.

O Roman também será o telescópio espacial grande mais estável já construído, pelo menos 10 vezes mais estável que o Webb e 100 vezes mais estável que o Hubble. Esta estabilidade óptica é uma característica crítica do sistema que permitirá aos cientistas testar teorias fundamentais da cosmologia de maneiras nunca antes possíveis. E quando o telescópio ultraestável é combinado com o coronógrafo, ele demonstra capacidades-chave no caminho para a próxima missão principal de astrofísica da NASA, o Observatório de Mundos Habitáveis, e seu objetivo de encontrar planetas que possam sustentar vida.

Parceria de Longa Data com a NASA

A entrega do OTA do Telescópio Espacial Roman é o mais recente marco na parceria de longa data da L3Harris com a NASA. Por mais de 60 anos, a L3Harris forneceu sistemas de imagem de ponta e outras soluções que avançam a exploração do universo. Dos telescópios Hubble, Chandra e James Webb à Estação Espacial Internacional e ao Rover de Marte, a L3Harris esteve com a NASA a cada passo do caminho, expandindo os limites da descoberta humana.

Este artigo foi escrito por Peter Miller, Engenheiro-Chefe de Sistemas, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Para mais informações, visite aqui.