ミラーズ・ウェッブ/NASA

NASA ゴダードにあるジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の主鏡。 補助ミラーは、長いブームの端にある丸いミラーで、発射構成に折り畳まれます。 ウェッブ鏡は顕微鏡的に薄い金の層で覆われており、この望遠鏡が観測する光の主波長である赤外光の反射に最適化されています。 写真: NASA/クリス・ガン

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の科学目標の 1 つは、銀河が若かった時代を遡ることです。 ウェッブは、私たちから 130 億光年以上離れた非常に遠い銀河を観察することによってこれを行います。 このような遠くのかすかな天体を見るには、ウェッブには大きな鏡が必要です。 望遠鏡の感度、つまりどれだけ細部まで見えるかは、観察対象の物体からの光を集めるミラー領域のサイズに直接関係します。 小さなバケツよりも大きなバケツのほうが、にわか雨の中でより多くの水が集まるのと同じように、より広いエリアにはより多くの光が集まります。

ウェッブ望遠鏡の科学者と技術者は、これらの遠方の銀河からの光を測定するには直径 6.5 メートル (21 フィート 4 インチ) の主鏡が必要であると判断しました。 これほど大きな鏡を作るのは、地上で使用する場合でも困難でした。 これほど大きな鏡が宇宙に打ち上げられたことはありませんでした。

ハッブル宇宙望遠鏡の 2.4 メートルの鏡がウェッブにとって十分な大きさになるように調整された場合、軌道に打ち上げるには重すぎます。 ウェッブのチームは、単位面積あたりの質量がハッブルの鏡のわずか 10 分の 1 でありながら非常に強度があり、十分に軽い鏡を構築するための新しい方法を見つける必要がありました。

ウェッブ望遠鏡チームは、ミラー部分を強くて軽いベリリウムで作ることにしました。 各セグメントの重さは約 20 キログラム (46 ポンド) です。

ウェッブ望遠鏡チームも次のことを決定しました。折り畳む構造上にセグメントに分けてミラーを構築する 、ドロップリーフテーブルの葉のように、ロケットに収まるように。 ミラーは発射後に展開されます。 18 個の六角形のミラー セグメントはそれぞれ、直径が 1.32 メートル (4.3 フィート) で、平面から平面まであります。 (ウェッブの副鏡の直径は 0.74 メートルです。)

六角形の形状により、「高い充填率と 6 回の対称性」を備えたほぼ円形の分割ミラーが可能になります。 充填率が高いということは、セグメントが隙間なくフィットすることを意味します。 セグメントが円形の場合、セグメント間に隙間が生じます。 18 セグメントに対して 3 つの異なる光学処方 (それぞれ 6 つ) だけが必要なため、対称性は良好です (上の右の図を参照)。 最後に、検出器上の最もコンパクトな領域に光を集中させるため、ミラー全体の形状はほぼ円形であることが望ましい。 たとえば、楕円形の鏡では、一方向に細長い画像が得られます。 正方形の鏡は、中央領域から多くの光を送り出します。

ウェッブのミラーにはそれぞれ個別の指定があります。 A、B、または C は、セグメントが 3 つのミラー処方のどれであるかを示します。 写真は、望遠鏡のすべてのミラーの飛行バージョンを示しています。

宇宙に出た後は、これらのミラーを遠くの銀河に正しく焦点を合わせることが別の課題になります。 アクチュエーター、つまり小さな機械モーターは、単一の完璧な焦点を達成するための答えを提供します。 主ミラーセグメントと副ミラーは、各ミラーピースの背面に取り付けられた 6 つのアクチュエータによって移動します。 主鏡セグメントの中心には、その曲率を調整する追加のアクチュエータもあります。 望遠鏡の三次鏡は静止したままです。

NASA ゴダードのウェッブ光学望遠鏡要素マネージャーであるリー・ファインバーグ氏は、「主鏡セグメントをあたかも 1 枚の大きな鏡であるかのように位置合わせするということは、各ミラーが人間の髪の毛の 1/10,000 の太さで位置合わせされていることを意味します。さらに驚くべきことは、ウェッブ望遠鏡に取り組んでいるエンジニアと科学者は、文字通りこれを行う方法を発明する必要がありました。」

これらの図は、ミラーの背面とアクチュエーターを示しています。 クレジット: ASU/NASA

この「Behind the Webb」ビデオでは、アクチュエーターが望遠鏡のミラーの背面に取り付けられている様子をご覧ください。

さらなる課題は、ウェッブの鏡を冷たく保つことです。 宇宙初期の最初の星や銀河を見るには、天文学者はそれらが発する赤外線を観察し、この光に最適化された望遠鏡と機器を使用する必要があります。 暖かい物体は赤外線、つまり熱を発するため、ウェッブの鏡がハッブル宇宙望遠鏡の温度と同じであれば、遠くの銀河からの微かな赤外線は鏡の赤外線の輝きの中で失われることになります。 したがって、ウェッブは非常に低温 (「極低温」) である必要があり、ミラーの温度は約 -220 度 (-364 度 F) です。 鏡は全体として、その形状を保持するだけでなく、非常に低い温度にも耐えることができなければなりません。

ウェッブを冷たく保つために、ウェッブは地球から遠く離れた深宇宙に送られました。 日よけは、鏡や計器を太陽の熱から守り、暖かい宇宙船バスから遠ざけます。

ウェッブは、3 ミラー非点収差望遠鏡として知られているものです。 この構成では、主ミラーは凹面、副ミラーは凸面で、わずかに軸から外れて動作します。 3次レンズは、結果として生じる非点収差を除去し、焦点面を平坦化します。 これにより、より広い視野も確保できます。

このアニメーションは、光が望遠鏡を通過する様子を示しています。

NASA は、望遠鏡用の鏡を構築する新しい方法の研究に着手しました。 Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) プログラムは、NASA、国家偵察局、米国空軍の 4 年間のパートナーシップであり、軽量ミラーを構築する方法を研究しました。 ASMD の調査に基づいて、2 つのテスト ミラーが構築され、完全にテストされました。 1 つは Ball Aerospace によってベリリウムで作られました。 もう 1 つは Kodak (旧 ITT、現在 Harris Corporation) によって製造され、特殊なタイプのガラスで作られていました。

これらのミラーの両方をテストするために選ばれた専門家チームが、ミラーがどの程度うまく機能するか、コストはどれくらいか、そしてフルサイズの 6.5 メートルのミラーを構築するのがどれほど簡単か (または困難か) を判断しました。 専門家らは、ベリリウムミラーがジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡用に選択されることを推奨した。理由はいくつかあるが、その1つはベリリウムが極低温でも形状を保持することだ。 専門家チームの推奨に基づいて、ノースロップ・グラマン（ウェッブ構築の取り組みを主導した企業）はベリリウムミラーを選択し、NASA のプロジェクト管理者ゴダードはこの決定を承認しました。

大理石ほどの大きさのベリリウムの破片。

ベリリウムは、ウェッブ主鏡に適した多くの特徴を備えた軽金属（元素記号：Be）です。 特に、ベリリウムは重量の割に非常に強く、さまざまな温度にわたってその形状を維持するのに優れています。 ベリリウムは電気と熱の良導体であり、磁性はありません。

ベリリウムは軽くて強いため、超音速（音速より速い）飛行機やスペースシャトルの部品の製造によく使用されます。 また、バネやツールなどのより現実的なアプリケーションでも使用されます。 ベリリウムの粉塵を吸い込んだり飲み込んだりすると健康に悪いため、ベリリウムを扱う場合は特別な注意が必要です。

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の 18 枚の特別な軽量ベリリウム ミラーは、製造を完了するために米国内の 11 の異なる場所に 14 回立ち寄りました。 それらはユタ州のベリリウム鉱山で誕生し、その後加工と研磨のために国中を移動しました。 実際、ミラー号は途中で 8 つの州に立ち寄り、いくつかの州を複数回訪れた後、打ち上げられて宇宙への最後の旅が始まるために南米に向かいました。 鏡の旅を示すインタラクティブなマップを探索してください。

ブラッシュウェルマンチームとミラーブランク。

ウェッブの鏡を作るためのベリリウムはユタ州で採掘され、オハイオ州のブラッシュ・ウェルマンで精製されました。 ウェッブミラーに使用される特定の種類のベリリウムは O-30 と呼ばれ、微粉末です。 粉末をステンレス鋼のキャニスターに入れ、平らな形状にプレスしました。 スチール製キャニスターを取り外したら、得られたベリリウムの塊を半分に切断して、直径約 1.3 メートル (4 フィート) の 2 つのミラーブランクを作成しました。 それぞれのミラー ブランクを使用して 1 つのミラー セグメントを作成しました。 フルミラーは 18 個の六角形のセグメントから作られています。

ミラーブランクが検査に合格すると、アラバマ州カルマンにあるアクシス・テクノロジーズに送られました。 最初の 2 つのミラー ブランクは 2004 年 3 月に完成しました。

研磨されていないミラーブランクの前面。

Axsys Technologies はミラーブランクを最終形状に成形しました。 ミラーの成形プロセスは、ベリリウムミラーブランクの裏側の大部分を切り取り、薄い「リブ」構造だけを残すことから始まります。 リブの厚さはわずか約 1 ミリメートル (約 1/25 インチ) です。 金属の大部分は失われていますが、リブはセグメントの形状を安定に保つのに十分です。 これにより、各セグメントが非常に軽くなります。 ベリリウムミラーセグメントの質量は 20 キログラムです。 （アクチュエータを含む主鏡セグメント全体の組立ては約40kgです。）

写真はミラーブランクの背面です。ミラーセグメントを軽くしつつ完全性を維持するために、このパターンで彫り込まれています。 クレジット: Axsys Technologies

このムービーでは、ミラー ブランクが Brush Wellman で作成され、Axsys で成形される様子が示されています。

ミラー セグメントは Axsys によって成形されると、カリフォルニア州リッチモンドに送られ、そこで SSG/Tinsley が研磨しました。

SSG/Tinsley の洗練されたエンジニアリング デザイン ユニット ミラー。

SSG/Tinsley は、各ミラーの表面を最終形状に近づけるために研磨することから始めました。 これが完了した後、鏡は注意深く滑らかにされ、磨かれました。 平滑化と研磨のプロセスは、各ミラー セグメントがほぼ完璧になるまで繰り返されました。 その時点で、セグメントは極低温試験のためにアラバマ州ハンツビルにある NASA のマーシャル宇宙飛行センター (MSFC) に運ばれました。

多くの材料は温度が変化すると形状が変化するため、ボール・エアロスペースのテストチームは、マーシャルのX線極低温施設（XRCF）のNASAエンジニアと協力して、ウェッブが深宇宙で経験している温度、-400度までミラーセグメントを冷却しました。華氏 (摂氏 -240 度)。

主鏡セグメントの極低温試験は、2009 年にボール エアロスペース社のマーシャルの XRCF で始まりました。

ウェッブの研磨されたミラーは、NASA マーシャルの施設で極低温でテストされます。

極低温試験の画像をもっと見る。

これらの極低温への曝露によるミラー セグメントの形状の変化は、ボール エアロスペース エンジニアによってレーザー干渉計を使用して記録されました。 この情報は鏡とともにカリフォルニアに戻り、ティンズリー社で最終的な表面研磨が行われました。 ミラーの最終研磨は 2011 年 6 月に完了しました。

この短いビデオは鏡面研磨プロセスの一部を示しています。

ミラー セグメントがどのように研磨されるかについては、このビデオ ポッドキャスト「Behind the Webb」で詳しくご覧ください。

ミラーセグメントの最終形状が低温による結像効果を修正し、研磨が完了したら、金の薄いコーティングが適用されます。 金は鏡の赤外線の反射を改善します。

技術的な詳細 : 鏡にはどのようにして金が施されているのですか? 答えは真空蒸着です。 Quantum Coating Incorporated が望遠鏡のミラーのコーティングを行いました。 基本的に、ミラーは真空チャンバー内に置かれ、少量の金が蒸発してミラー上に堆積します。 コーティングしたくない領域（裏側やすべての機構など）はマスクオフされます。 金の一般的な厚さは 1000 オングストローム (100 ナノメートル) です。 アモルファス SiO2 (ガラス) の薄い層が金の上に堆積され、取り扱いの際や粒子が表面に付着して動き回る場合に傷がつかないようにします (金は純粋で非常に柔らかいです)。

この Behind the Webb ビデオはミラー コーティングについてです。

ウェッブの鏡の写真。

エンジニアリング設計ユニットの主鏡セグメント (フライト スペア) は、Quantum Coating Incorporated によって金でコーティングされています。 写真：ドリュー・ノエル

副鏡も同様のプロセスを経ました。ここでは、Quantum Coating Incorporated によって金コーティングが施された後です。

このビデオでは、原石から正確に反射する金でコーティングされた部分までの鏡の旅をたどることができます。

金コーティングが施された後、ミラーは再びマーシャル宇宙飛行センターに戻り、極低温でのミラー表面形状の最終検証が行われました。 これでミラーセグメントが完成しました。 次に、彼らはメリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターへ向かいました。

最初の 2 つの飛行鏡は、2012 年 9 月に NASA ゴダードに到着しました。2013 年末までに、すべての飛行主鏡セグメントと二次および三次鏡がゴダードに到着する予定です。 ミラーはクリーンルーム内の特別な保護キャニスターに保管され、飛行望遠鏡構造の到着を待っていました。

エンジニアは、NASA ゴダードに到着する最初の 2 つのフライトミラーのうちの 1 つを検査します。

ゴダードに保管されているフライトミラーキャニスター。

飛行望遠鏡の構造体 (基本的にミラーが取り付けられる望遠鏡の骨) はノースロップ グラマンから発送され、2015 年 8 月に NASA ゴダードに到着しました。2015 年 11 月に組立スタンドに移動されました。 2015 年 22 日、最初の鏡が設置されました。

ここでは、飛行望遠鏡の構造が NASA ゴダードのクリーンルームで持ち上げられています。

飛行望遠鏡の構造は NASA ゴダードの組み立てスタンドに置かれ、ミラーの組み立ての準備が整っています。

組み立て中にミラーを保護するために、ミラーには軽量の黒色のカバーが取り付けられていましたが、ミラーが完全に組み立てられた後に取り外されたことに注意してください。

このタイムラプス ビデオは、Webb の主鏡の組み立てを示しています。

ウェブ主鏡の完成に関する特集ビデオ。

最後のミラーは 2016 年 2 月に設置されました。その後すぐに保護カバーが取り外され、ミラー全体が姿を現しました。

鏡が完成すると、科学機器が望遠鏡に組み込まれました。 ゴダード滞在中に、望遠鏡は打ち上げ時の過酷な環境に耐えられるかどうかを確認するために、音響と振動の両方の環境試験も受けました。 それは無事に完了し、望遠鏡は極低温での光学系と機器のテストのためにテキサス州ヒューストンにある NASA ジョンソンに送られました。 NASA ジョンソン室 A は、NASA が保有するウェッブに十分な大きさの唯一の熱真空室です。

望遠鏡が軌道に到達すると、地球上の技術者はウェッブ望遠鏡の主鏡セグメントの位置を調整/修正して、それらの位置を調整し、鮮明で焦点の合った画像を確実に生成できるようにしました。

これらの補正は、ミラーを数十ナノメートル以内に位置合わせする波面感知と制御と呼ばれるプロセスを通じて行われました。 このプロセス中に、波面センサー (この場合は NIRCam) が、ミラー セグメントが 6.5 メートル (21.3 フィート) の単一のミラーのように動作するのを妨げる、ミラー セグメントの位置合わせの不完全性を測定しました。 技術者らは NIRCam を使用して、各ミラーセグメントから 1 つずつ、星の焦点が合っていない 18 枚の画像を撮影しました。 次に、エンジニアはコンピューター アルゴリズムを使用して、それらの個々の画像から主鏡の全体的な形状を決定し、鏡を位置合わせするために鏡をどのように移動する必要があるかを決定しました。

このビデオでは、ミラー調整プロセスについて説明します。

エンジニアらは、約 100 日間の極低温試験中に、NASA ジョンソン宇宙センターのチャンバー A の極低温真空環境でこの位置合わせプロセスを試験しました。 チャンバーの環境は、ウェッブが活動し、これまでに観測されたことのない宇宙部分のデータを収集する極寒の宇宙環境をシミュレートします。 チャンバー内では、エンジニアが望遠鏡の内外にレーザー光を送り込み、人工星の光源のように機能しました。 このテストでは、光学系や機器を含む望遠鏡全体がこの寒い環境で正しく動作することが検証され、望遠鏡が宇宙でも正しく動作することが確認されました。

極低温試験を完了した後、チャンバーA内に座るウェッブ。

NASA ジョンソンでのテストに合格した後、ウェッブとそのミラーはノースロップ グラマンに移動し、そこで望遠鏡が日よけと宇宙船バスと結合されました。