Engenharia e validação da óptica do telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA

Um técnico óptico está deitado em um trampolim suspenso 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 Wide Field Instrument, mostrando como a luz de fontes cósmicas viajará através do telescópio assim que a missão for lançada. (Imagem:NASA/Chris Gunn)
Quando for lançado, o mais tardar em maio de 2027, o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (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 pesquisar grandes áreas do céu rápida e repetidamente com alta precisão, a fim de mapear a distribuição da matéria normal (bariônica) e da matéria escura e mapear a taxa de expansão cósmica em várias épocas para sondar a energia escura. Esta informação é crítica para a nossa compreensão das origens do universo e para ajudar os cientistas a compreender o que acontecerá no futuro distante do cosmos em rápida expansão. Também utilizará grandes pesquisas para estudar sistemas planetários em torno de outras estrelas para saber se sistemas solares como o nosso são comuns, raros ou talvez únicos.
Esta foto mostra o conjunto do telescópio óptico do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que foi recentemente entregue na maior sala limpa do Goddard Space Flight Center da agência em Greenbelt, Maryland.
Um marco importante do programa foi alcançado em novembro de 2024 com a entrega do conjunto de telescópio óptico (OTA) totalmente concluído e testado da L3Harris para a NASA. Este hardware funciona como os “olhos” do observatório, recolhendo e condicionando a luz do cosmos para utilização pelos dois instrumentos da missão.

Como parceiro de confiança da NASA, a L3Harris foi encarregada de projetar, fabricar, integrar e testar o OTA. Isto inclui um espelho primário de 2,4 metros (8 pés) de diâmetro, bem como outros nove espelhos menores, estruturas robustas para alinhar os espelhos entre si e numerosos sistemas de suporte necessários para permitir que o telescópio funcione no ambiente hostil do espaço.

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. Isto incluiu o desenvolvimento de um novo material composto de carbono patenteado com coeficientes de expansão térmica (CTEs) inferiores aos alcançados anteriormente – tão baixos que foi necessário desenvolver novas técnicas para medir as suas propriedades. Devido ao CTE extremamente baixo, um pedaço deste material do tamanho de um campo de futebol só mudaria de comprimento em 100 mícrons (a largura de um fio de cabelo humano) quando sua temperatura mudasse em 100 graus Fahrenheit (55 graus Celsius).
Esta foto mostra todo o sistema óptico do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA. Consiste em 10 espelhos, incluindo os espelhos primários de 7,9 pés (2,4 metros) vistos na base nesta 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 objectivos da missão. L3Harris desenvolveu uma nova arquitetura de detecção e controle de temperatura capaz de manter áreas-chave do telescópio estáveis ​​até alguns milésimos de grau Celsius, mesmo quando diferentes partes do observatório estão expostas ao calor escaldante do sol ou enfrentando as temperaturas quase zero absolutas do espaço sideral. Este sistema de controle térmico de última geração garante que as estruturas e ópticas dentro do telescópio permanecerão ultraestáveis ​​(mudanças subnanométricas no erro da frente de onda) e continuarão a fornecer medições científicas precisas, mesmo enquanto experimentam diferentes extremos térmicos.

O OTA foi projetado de tal forma que, quando chegar ao seu destino operacional final, a um milhão de milhas da Terra, terá um desempenho óptico ideal. Isso significa que o projeto teve que levar em conta até mesmo os pequenos efeitos da gravidade na Terra e do resfriamento do telescópio até as temperaturas operacionais. Os engenheiros da L3Harris realizaram extensas simulações para prever as mudanças que acontecerão no telescópio à medida que ele passa da gravidade da Terra à temperatura ambiente para o 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 principais podem ser movidas para fornecer correções para quaisquer incógnitas nas previsões.
Uma representação gerada por computador do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman concluído, em homenagem ao primeiro Diretor de Astronomia e Heliofísica da NASA. (Imagem:NASA)
A OTA entrou numa fase crítica no início de 2024, quando foi realizado o alinhamento óptico final dos seus vários espelhos. Isso exigiu que as 10 ópticas fossem alinhadas e posicionadas umas em relação às outras com precisão microscópica e, em seguida, travadas permanentemente 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 essa extrema precisão de alinhamento, um sistema de câmera especial chamado interferômetro foi usado para monitorar os espelhos com precisão de nível nanométrico e fornecer feedback durante esse processo crucial de alinhamento.

Após o alinhamento final, o telescópio passou por rigorosos testes dinâmicos 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 que seriam experimentados ao lado de um motor a jato, bem como forças de aceleração várias vezes maiores do que as que o piloto de um caça a jato experimenta durante manobras de alto g.

O teste final que o OTA precisava passar foi um teste de vácuo térmico onde o desempenho do sistema foi avaliado enquanto sujeito a condições que simulam o ambiente hostil que o OTA experimentará enquanto estiver no espaço. Este teste foi realizado em uma grande câmara de vácuo nas instalações 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 e, ao mesmo tempo, fornecer um excelente desempenho óptico que atendeu a todos os requisitos com margem de sobra. Após a conclusão bem-sucedida deste teste, o OTA foi entregue ao Goddard Space Flight Center da NASA para ser integrado aos instrumentos científicos e ao veículo espacial.

Quando o Telescópio Espacial Romano for lançado, juntar-se-á ao Telescópio Espacial James Webb da NASA, orbitando o ponto L2 Lagrange – 1,5 milhões de quilómetros (1 milhão de milhas) directamente “atrás” da Terra, vista do Sol. Roman foi projetado para trabalhar em conjunto com o Telescópio Webb para realizar observações científicas complementares que fornecerão maiores insights sobre fenômenos cosmológicos do que qualquer missão poderia realizar sozinha. O Telescópio Espacial Romano será capaz de obter imagens de grandes áreas do céu com resolução semelhante à do Telescópio Espacial Hubble, no entanto, fará isso 1000x mais rápido que o Hubble. Isto permite levantamentos de grandes áreas do céu com extrema precisão para identificar alvos de interesse para o Telescópio Espacial Webb.

Roman também será o grande telescópio espacial 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 formas nunca antes possíveis. E quando o telescópio ultraestável é combinado com o coronógrafo, demonstra capacidades essenciais no caminho para a próxima missão astrofísica emblemática da NASA, o Observatório de Mundos Habitáveis, e o seu objetivo de encontrar planetas que possam sustentar vida.

A entrega do Telescópio Espacial Romano OTA é o mais recente marco na parceria de longa data da L3Harris com a NASA. Por mais de 60 anos, a L3Harris fornece sistemas de imagem de última geração e outras soluções que promovem a exploração do universo. Dos telescópios Hubble, Chandra e James Webb à Estação Espacial Internacional e ao Mars Rover, L3Harris tem estado com a NASA em cada passo do caminho, ultrapassando os limites da descoberta humana.

Este artigo foi escrito por Peter Miller, engenheiro-chefe de sistemas, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Para mais informações, acesse aqui  .