History

James Webb's Mirror - 18 Segments Aligned Perfectly

#028 · 4 min read

The James Webb Space Telescope's primary mirror, composed of 18 hexagonal segments, is shown perfectly aligned against a backdrop of Earth and clouds, demonstrating its intricate design and advanced engineering.

When the James Webb Space Telescope launched in 2021, its primary mirror was folded up like a drop-leaf table. At 6.5 metres across, it was too large for any rocket fairing. To see the earliest galaxies, it had to unfold in a vacuum and align itself to a tolerance of ten nanometres.

In late December 2021, an Ariane 5 rocket cleared the pad at Kourou, carrying a ten-billion-dollar gamble. Inside the fairing sat the James Webb Space Telescope, a machine too large to fly in its working configuration. Its primary mirror, designed to catch infrared photons that have been travelling for 13.5 billion years, spans 6.5 metres. The largest payload fairing available was 5.4 metres wide.

The solution engineered by NASA and Northrop Grumman was to build the mirror in pieces. They cast eighteen hexagonal segments from beryllium, a lightweight metal that holds its shape in extreme cold. The central section held twelve mirrors. Two hinged wings held three segments each, folded backward to clear the rocket's aerodynamic shroud. For the telescope to work, those eighteen distinct mirrors had to be deployed a million miles from Earth at the Sun-Earth L2 and manipulated until they functioned as a single, unbroken optical surface.

Webb Telescope Mirrors Utilize Innovative Space Shielding NASA Goddard Photo and Video · BY 2.0

If one segment remained out of alignment, the telescope would return blurred, overlapping images. The margin for error was ten nanometres—roughly one ten-thousandth the width of a human hair, or a fraction of the wavelength of the light it was designed to capture.

Seven stages of alignment

The alignment process took three months. Behind each beryllium hexagon sit six mechanical actuators that control its physical position and tip-tilt angle, plus a seventh at the centre to adjust its exact curvature. These motors move via gears in steps of just seven nanometres.

The James Webb Space Telescope unfolds in the black void of space Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

When the telescope first opened its eye in early 2022, it pointed at a bright, isolated star in Ursa Major named HD 84406. The initial image beamed back to the Space Telescope Science Institute in Baltimore was a chaotic scatter of eighteen separate stars. The segments were acting as individual, uncoordinated telescopes.

Through a technique called wavefront sensing and control, engineers mapped the distortions in the starlight. They commanded the actuators to tip and tilt each segment, identifying which dot of light belonged to which physical mirror. Slowly, they brought the eighteen dots into a hexagonal array. Then they focused them, segment by segment, until the array merged into a single sharp point. Finally, they phased the mirrors. In this step, they shifted the segments by microscopic increments so the crests and troughs of the incoming light waves aligned perfectly across the gaps between the hexagons. The eighteen discrete reflections locked together into a single wavefront.

Inside a pristine cleanroom Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

A film of gold

The raw beryllium surface is not what catches the light. Beryllium is highly reflective in some wavelengths but absorbs infrared. To see the ancient, red-shifted universe, the mirrors required a different surface.

James Webb Space Telescope Mirrors Undergoing Cryogenic Testing James Webb Space Telescope · BY 2.0

Inside a vacuum chamber on Earth, engineers vaporised a tiny amount of pure gold and let it settle over the polished beryllium. The resulting gold coating on each segment is exactly 100 nanometres thick—about one thousand atoms deep. Across the entire 25-square-metre surface of the primary mirror, there is roughly fifty grams of gold, equivalent to the mass of a golf ball. Gold reflects 99 per cent of infrared light, making it the perfect trap for faint thermal emissions from the early universe. A thin layer of amorphous glass sits over the gold to protect it from micrometeoroid strikes.

The choice of infrared meant the telescope had to operate at -233 degrees Celsius. Any ambient heat from the spacecraft's own electronics would blind the sensors. To maintain this deep freeze, Webb unfurled a five-layer sunshield the size of a tennis court, permanently blocking the thermal radiation of the Sun, Earth, and Moon.

A cryogenic test chamber holds several golden Webb mirror segments inside a massive indust Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we still don't know

We do not know the absolute limit of the mirror's survivability over decades. The sunshield and the orbit protect the optics from major thermal shocks, but the primary mirror is exposed to the ambient micro-debris of the solar system. In May 2022, a larger-than-expected micrometeoroid struck segment C3, leaving a permanent, measurable dimple in the optical data.

Webb Air Force Base United States Geological Survey (USGS) · Public domain

We do not fully understand how long the structural stability of the composite backplane will remain within the strict tolerances required, as materials outgas and settle in a prolonged vacuum environment. Webb carries enough propellant to maintain its halo orbit for over twenty years, far exceeding initial estimates, meaning the physical degradation of the optics and sunshield will likely dictate the mission's ultimate end.

An extreme macro study of a Webb mirror edge Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We also do not know what the next generation of segmented space mirrors will demand. The Habitable Worlds Observatory, NASA's proposed successor to Webb, will require even tighter alignment tolerances—measured in picometres rather than nanometres—to block out starlight entirely and directly image Earth-sized exoplanets.

For now, the eighteen segments hold their shape in the cold dark. They are a fractured surface forced into perfection, catching light that left its source before the Earth existed.

2021年，当詹姆斯·韦伯空间望远镜发射升空时，其主镜如同一张折叶桌般折叠收拢。6.5米的直径，令任何火箭整流罩都显得过于局促。为了窥见最古老的星系，它必须在真空中自行展开，并将对准精度控制在十纳米的毫发之间。

2021年12月下旬，一枚 Ariane 5 火箭从 Kourou 腾空而起，承载着一场价值百亿美元的豪赌。整流罩内安置着 James Webb Space Telescope，这是一台由于工作状态下体积过于庞大而无法直接以飞行构型发射的机器。它的主镜直径达6.5米，旨在捕捉已在太空中穿行了135亿年的红外光子；而当时可用的最大载荷整流罩宽度仅为5.4米。

NASA 与 Northrop Grumman 工程师给出的方案是将镜面分块制造。他们用 beryllium 铸造了18块六边形镜片，这是一种在极寒环境下仍能保持形状的轻质金属。中心部分固定有12块镜片，两侧的折叠翼各持3块，向后翻折以避开火箭的空气动力整流罩。为了让望远镜正常工作，这18块独立的镜片必须在距离地球百万英里之遥的 Sun-Earth L2 展开，并经过精密操控，直到它们表现得如同一块完整且无缝的光学表面。

哪怕只有一块镜片未能精准对齐，望远镜传回的图像也会变得模糊且重叠。其容错限度仅为10纳米——大约是人类头发直径的一万分之一，或者是它设计捕捉的光波波长的极小一部分。

七个对齐阶段

整个对齐过程耗时三个月。在每块铍质六边形镜片的后方，装有6个控制物理位置和倾斜角度的机械 actuators（执行器），中心还设有第7个执行器用于微调其精确曲率。这些马达通过齿轮传动，每一步的移动距离仅为7纳米。

2022年初，当望远镜第一次睁开眼睛时，它对准了大熊座中一颗名为 HD 84406 的孤立亮星。传回巴尔的摩 Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）的初始图像是一团混沌，散布着18颗独立的恒星。此时，这些镜片就像是18台独立且互不协调的望远镜。

通过一种被称为 wavefront sensing and control（波前传感）的技术，工程师们绘制出了星光中的畸变。他们指挥执行器调整每块镜片的倾斜度，从而识别哪一个光点属于哪一块物理镜片。慢慢地，他们将18个光点汇聚成一个六边形阵列。随后，他们逐一调整每块镜片的焦点，直到阵列合并成一个锐利的单点。最后，他们进行了“相位调整”。在这一步中，镜片以微米级的增量移动，使得入射光波的波峰和波谷在六边形镜片的缝隙间完美对齐。18次离散的反射锁定在一起，形成了单一的波前。

黄金薄膜

捕捉光线的并非铍的原始表面。铍虽然在某些波长下具有高反射率，但会吸收红外线。为了观测那个古老的、发生红移的宇宙，镜面需要一种不同的表面。

在地球上的真空室里，工程师们将极少量的纯金汽化，使其沉积在抛光后的铍表面。每块镜片上的金涂层厚度精确为100纳米——大约只有一千个原子的深度。在主镜整整25平方米的表面上，仅覆盖了约50克黄金，其质量仅相当于一个高尔夫球。黄金能反射99%的红外线，这使其成为捕捉早期宇宙微弱热辐射的完美陷阱。金层之上覆盖了一层薄薄的非晶态玻璃，以保护其免受微陨石的撞击。

选择红外波段意味着望远镜必须在零下233摄氏度的环境下运行。航天器自身电子设备产生的任何环境热量都会干扰传感器。为了维持这种深度的冰冻状态，韦伯展开了一个网球场大小的五层遮阳罩，永久性地阻挡了来自太阳、地球和月球的热辐射。

我们仍未揭晓的谜团

我们尚不清楚这面反射镜在数十年间的绝对生存极限。遮阳罩和轨道保护了光学器件免受剧烈热冲击，但主镜依然暴露在太阳系环境中的微小碎片之下。2022年5月，一颗超出预期的微陨石撞击了C3镜片，在光学数据中留下了一个永久且可测量的凹痕。

随着材料在长期的真空环境中发生释气和沉降，我们还无法完全确定复合材料背板的结构稳定性能在严格的公差范围内维持多久。韦伯携带的推进剂足以维持其晕轨道运行20年以上，远超最初估计，这意味着光学器件和遮阳罩的物理损耗可能将决定任务的最终终点。

我们同样不知道下一代分块式空间反射镜将面临怎样的需求。Habitable Worlds Observatory（宜居世界天文台）是NASA提议的韦伯继任者，它将要求更严苛的对齐公差——以皮米而非纳米衡量——以便彻底遮挡恒星光线，从而直接拍摄地球大小的系外行星。

而现在，这18块镜片在寒冷的黑暗中守护着它们的形状。这是一片被强行磨合至完美的破碎表面，正捕捉着那些在地球诞生之前就已出发的星光。

Quando o Telescópio Espacial James Webb foi lançado em 2021, o seu espelho primário estava dobrado como uma mesa de abas. Com 6,5 metros de diâmetro, era demasiado grande para a carenagem de qualquer foguete. Para observar as galáxias primordiais, teve de se desdobrar no vácuo e alinhar-se com uma tolerância de dez nanómetros.

No final de dezembro de 2021, um foguetão Ariane 5 deixou a plataforma em Kourou, transportando uma aposta de dez mil milhões de dólares. Dentro da coifa estava o James Webb Space Telescope, uma máquina grande demais para voar na sua configuração de operação. O seu espelho primário, concebido para captar fotões infravermelhos que viajam há 13,5 mil milhões de anos, mede 6,5 metros de largura. A maior coifa de carga útil disponível tinha apenas 5,4 metros.

A solução projetada pela NASA e pela Northrop Grumman foi construir o espelho em peças. Fundiram dezoito segmentos hexagonais de beryllium, um metal leve que mantém a sua forma em condições de frio extremo. A secção central segurava doze espelhos. Duas alas laterais articuladas sustentavam três segmentos cada, dobradas para trás para caberem na proteção aerodinâmica do foguetão. Para que o telescópio funcionasse, esses dezoito espelhos distintos teriam de ser implantados a um milhão de milhas da Terra, no Sun-Earth L2, e manipulados até funcionarem como uma única superfície ótica contínua.

Se um único segmento permanecesse desalinhado, o telescópio devolveria imagens desfocadas e sobrepostas. A margem de erro era de dez nanómetros — aproximadamente um décimo milésimo da espessura de um fio de cabelo humano, ou uma fração do comprimento de onda da luz que foi concebido para captar.

Sete etapas de alinhamento

O processo de alinhamento demorou três meses. Por trás de cada hexágono de berílio encontram-se seis actuators mecânicos que controlam a sua posição física e o ângulo de inclinação, além de um sétimo ao centro para ajustar a sua curvatura exata. Estes motores movem-se através de engrenagens em passos de apenas sete nanómetros.

Quando o telescópio abriu o seu olho pela primeira vez, no início de 2022, apontou para uma estrela brilhante e isolada na Ursa Maior chamada HD 84406. A imagem inicial enviada para o Space Telescope Science Institute, em Baltimore, era uma dispersão caótica de dezoito estrelas separadas. Os segmentos estavam a agir como telescópios individuais e não coordenados.

Através de uma técnica chamada wavefront sensing and control, os engenheiros mapearam as distorções na luz estelar. Comandaram os atuadores para inclinar e orientar cada segmento, identificando qual o ponto de luz que pertencia a cada espelho físico. Lentamente, organizaram os dezoito pontos num arranjo hexagonal. Depois, focaram-nos, segmento a segmento, até que o arranjo se fundisse num único ponto nítido. Finalmente, colocaram os espelhos em fase. Nesta etapa, deslocaram os segmentos em incrementos microscópicos para que as cristas e os vales das ondas de luz incidentes se alinhassem perfeitamente através dos espaços entre os hexágonos. Os dezoito reflexos discretos uniram-se numa única frente de onda.

Uma película de ouro

A superfície bruta de berílio não é o que capta a luz. O berílio é altamente refletor em alguns comprimentos de onda, mas absorve o infravermelho. Para observar o universo antigo, desviado para o vermelho, os espelhos exigiam uma superfície diferente.

Dentro de uma câmara de vácuo na Terra, os engenheiros vaporizaram uma pequena quantidade de ouro puro e deixaram-na depositar-se sobre o berílio polido. O revestimento de ouro resultante em cada segmento tem exatamente 100 nanómetros de espessura — cerca de mil átomos de profundidade. Em toda a superfície de 25 metros quadrados do espelho primário, existem sensivelmente cinquenta gramas de ouro, o equivalente à massa de uma bola de golfe. O ouro reflete 99 por cento da luz infravermelha, tornando-o a armadilha perfeita para as ténues emissões térmicas do universo primitivo. Uma camada fina de vidro amorfo cobre o ouro para o proteger de impactos de micrometeoroides.

A escolha do infravermelho significava que o telescópio teria de operar a -233 graus Celsius. Qualquer calor ambiente proveniente da eletrónica da própria nave cegaria os sensores. Para manter este congelamento profundo, o Webb estendeu um escudo solar de cinco camadas do tamanho de um campo de ténis, bloqueando permanentemente a radiação térmica do Sol, da Terra e da Lua.

O que ainda não sabemos

Não conhecemos o limite absoluto de sobrevivência do espelho ao longo de décadas. O escudo solar e a órbita protegem a ótica de grandes choques térmicos, mas o espelho primário está exposto aos microdetritos ambientes do sistema solar. Em maio de 2022, um micrometeoroide maior do que o esperado atingiu o segmento C3, deixando uma reentrância permanente e mensurável nos dados óticos.

Não compreendemos totalmente por quanto tempo a estabilidade estrutural da estrutura de suporte composta permanecerá dentro das rigorosas tolerâncias exigidas, à medida que os materiais libertam gases e se estabilizam num ambiente de vácuo prolongado. O Webb transporta propulsor suficiente para manter a sua órbita de halo por mais de vinte anos, superando largamente as estimativas iniciais, o que significa que a degradação física da ótica e do escudo solar ditará, provavelmente, o fim último da missão.

Também não sabemos o que a próxima geração de espelhos espaciais segmentados irá exigir. O Habitable Worlds Observatory, o sucessor proposto pela NASA para o Webb, exigirá tolerâncias de alinhamento ainda mais apertadas — medidas em picómetros em vez de nanómetros — para bloquear inteiramente a luz das estrelas e obter imagens diretas de exoplanetas do tamanho da Terra.

Por agora, os dezoito segmentos mantêm a sua forma na escuridão fria. São uma superfície fraturada forçada à perfeição, captando luz que deixou a sua fonte antes de a Terra existir.

Cuando el telescopio espacial James Webb se lanzó en 2021, su espejo primario estaba plegado como una mesa de alas. Con sus 6,5 metros de diámetro, resultaba demasiado grande para la cofia de cualquier cohete. Para observar las galaxias primigenias, debía desplegarse en el vacío y alinearse con una tolerancia de diez nanómetros.

A finales de diciembre de 2021, un cohete Ariane 5 despegó de la plataforma en Kourou, transportando una apuesta de diez mil millones de dólares. Bajo la cofia se encontraba el James Webb Space Telescope, una máquina demasiado grande para volar en su configuración de trabajo. Su espejo primario, diseñado para capturar fotones infrarrojos que han viajado durante 13.500 millones de años, mide 6,5 metros de diámetro. La cofia de carga más grande disponible tenía 5,4 metros de ancho.

La solución diseñada por la NASA y Northrop Grumman consistió en construir el espejo por piezas. Fundieron dieciocho segmentos hexagonales de beryllium, un metal ligero que mantiene su forma en el frío extremo. La sección central sostenía doce espejos. Dos alas abatibles albergaban tres segmentos cada una, plegadas hacia atrás para no obstruir la cubierta aerodinámica del cohete. Para que el telescopio funcionara, esos dieciocho espejos individuales debían desplegarse a un millón de millas de la Tierra, en el Sun-Earth L2, y manipularse hasta que funcionaran como una única superficie óptica continua.

Si un solo segmento permanecía desalineado, el telescopio devolvería imágenes borrosas y superpuestas. El margen de error era de diez nanómetros: aproximadamente una diezmilésima parte del grosor de un cabello humano, o una fracción de la longitud de onda de la luz que debía capturar.

Siete etapas de alineación

El proceso de alineación duró tres meses. Detrás de cada hexágono de berilio se encuentran seis actuators mecánicos que controlan su posición física y su ángulo de inclinación, además de un séptimo en el centro para ajustar su curvatura exacta. Estos motores se mueven mediante engranajes en pasos de apenas siete nanómetros.

Cuando el telescopio abrió su ojo por primera vez a principios de 2022, apuntó a una estrella brillante y aislada en la Osa Mayor llamada HD 84406. La imagen inicial enviada al Space Telescope Science Institute en Baltimore era una dispersión caótica de dieciocho estrellas distintas. Los segmentos actuaban como telescopios individuales y descoordinados.

Mediante una técnica denominada wavefront sensing and control, los ingenieros mapearon las distorsiones en la luz estelar. Comandaron los actuadores para inclinar y orientar cada segmento, identificando qué punto de luz pertenecía a cada espejo físico. Lentamente, organizaron los dieciocho puntos en una matriz hexagonal. Luego los enfocaron, segmento por segmento, hasta que la matriz se fusionó en un único punto nítido. Finalmente, ajustaron la fase de los espejos. En este paso, desplazaron los segmentos en incrementos microscópicos para que las crestas y valles de las ondas de luz entrantes se alinearan perfectamente a través de los huecos entre los hexágonos. Las dieciocho reflexiones discretas se entrelazaron en un único frente de onda.

Una película de oro

La superficie bruta de berilio no es la que captura la luz. El berilio es altamente reflectante en algunas longitudes de onda, pero absorbe el infrarrojo. Para observar el universo antiguo y desplazado al rojo, los espejos requerían una superficie diferente.

Dentro de una cámara de vacío en la Tierra, los ingenieros vaporizaron una pequeña cantidad de oro puro y dejaron que se asentara sobre el berilio pulido. El recubrimiento de oro resultante en cada segmento tiene exactamente 100 nanómetros de espesor, una profundidad de unos mil átomos. En los 25 metros cuadrados de superficie del espejo primario hay aproximadamente cincuenta gramos de oro, el equivalente a la masa de una pelota de golf. El oro refleja el 99 por ciento de la luz infrarroja, lo que lo convierte en la trampa perfecta para las tenues emisiones térmicas del universo primitivo. Una fina capa de vidrio amorfo recubre el oro para protegerlo de los impactos de micrometeoroides.

La elección del infrarrojo implicaba que el telescopio debía operar a -233 grados Celsius. Cualquier calor ambiental proveniente de la electrónica de la propia nave cegaría los sensores. Para mantener esta congelación profunda, el Webb desplegó un parasol de cinco capas del tamaño de una cancha de tenis, bloqueando permanentemente la radiación térmica del Sol, la Tierra y la Luna.

Lo que aún no sabemos

No conocemos el límite absoluto de la supervivencia del espejo a lo largo de las décadas. El parasol y la órbita protegen la óptica de los grandes choques térmicos, pero el espejo primario está expuesto a los microescombros ambientales del sistema solar. En mayo de 2022, un micrometeoroide más grande de lo esperado golpeó el segmento C3, dejando una muesca permanente y medible en los datos ópticos.

No comprendemos del todo cuánto tiempo se mantendrá la estabilidad estructural de la estructura de soporte compuesta dentro de las estrictas tolerancias requeridas, a medida que los materiales liberan gases y se asientan en un entorno de vacío prolongado. El Webb transporta suficiente propulsor para mantener su órbita de halo durante más de veinte años, superando con creces las estimaciones iniciales, lo que significa que la degradación física de la óptica y del parasol dictará probablemente el final definitivo de la misión.

Tampoco sabemos qué exigirá la próxima generación de espejos espaciales segmentados. El Habitable Worlds Observatory, el sucesor propuesto por la NASA para el Webb, requerirá tolerancias de alineación aún más estrictas —medidas en picómetros en lugar de nanómetros— para bloquear por completo la luz de las estrellas y obtener imágenes directas de exoplanetas del tamaño de la Tierra.

Por ahora, los dieciocho segmentos mantienen su forma en la oscuridad gélida. Son una superficie fracturada forzada hacia la perfección, capturando una luz que abandonó su fuente antes de que la Tierra existiera.

Saat Teleskop Luar Angkasa James Webb meluncur pada 2021, cermin utamanya terlipat layaknya meja bersayap. Dengan lebar 6,5 meter, ukurannya terlalu besar bagi selongsong roket mana pun. Demi menyingkap galaksi-galaksi purba, ia harus membentang di ruang hampa dan menyelaraskan diri dengan tingkat presisi sepuluh nanometer.

Pada akhir Desember 2021, sebuah roket Ariane 5 meluncur meninggalkan landasan di Kourou, membawa sebuah pertaruhan senilai sepuluh miliar dolar. Di dalam selubung pelindungnya bertakhta James Webb Space Telescope, sebuah mesin yang terlalu besar untuk diterbangkan dalam konfigurasi operasionalnya. Cermin utamanya, yang dirancang untuk menangkap foton inframerah yang telah menempuh perjalanan selama 13,5 miliar tahun, membentang sepanjang 6,5 meter. Padahal, selubung muatan roket terluas yang tersedia hanya memiliki lebar 5,4 meter.

Solusi yang dirancang oleh NASA dan Northrop Grumman adalah membangun cermin tersebut dalam beberapa bagian. Mereka mencetak delapan belas segmen heksagonal dari beryllium, logam ringan yang mampu mempertahankan bentuknya dalam kondisi dingin yang ekstrem. Bagian tengah menopang dua belas cermin. Dua sayap berengsel masing-masing menopang tiga segmen, dilipat ke belakang agar muat di dalam selubung aerodinamis roket. Agar teleskop ini dapat bekerja, kedelapan belas cermin terpisah tersebut harus dibentangkan pada jarak satu juta mil dari Bumi di titik Sun-Earth L2 dan dimanipulasi hingga mereka berfungsi sebagai satu permukaan optik tunggal yang tak terputus.

Jika satu segmen saja tidak sejajar, teleskop akan mengirimkan gambar yang buram dan tumpang tindih. Batas toleransi kesalahannya adalah sepuluh nanometer—kira-kira sepersepuluh ribu lebar sehelai rambut manusia, atau sebagian kecil dari panjang gelombang cahaya yang dirancang untuk ditangkapnya.

Tujuh tahapan penyelarasan

Proses penyelarasan memakan waktu tiga bulan. Di belakang setiap heksagon berilium terdapat enam actuators mekanis yang mengendalikan posisi fisik dan sudut kemiringannya, ditambah aktuator ketujuh di bagian tengah untuk menyesuaikan kelengkungan presisinya. Motor-motor ini bergerak melalui roda gigi dalam tahapan sekecil tujuh nanometer.

Ketika teleskop pertama kali membuka matanya pada awal 2022, ia diarahkan ke sebuah bintang terang yang terisolasi di rasi Ursa Major bernama HD 84406. Gambar awal yang dipancarkan kembali ke Space Telescope Science Institute di Baltimore adalah serakan kacau dari delapan belas bintang yang terpisah. Segmen-segmen tersebut bekerja sebagai teleskop individu yang tidak terkoordinasi.

Melalui teknik yang disebut wavefront sensing and control, para insinyur memetakan distorsi pada cahaya bintang tersebut. Mereka memerintahkan aktuator untuk mengarahkan dan memiringkan setiap segmen, mengidentifikasi titik cahaya mana yang berasal dari cermin fisik yang mana. Perlahan, mereka menyusun kedelapan belas titik tersebut menjadi susunan heksagonal. Kemudian mereka memfokuskannya, segmen demi segmen, hingga susunan tersebut menyatu menjadi satu titik tajam yang tunggal. Akhirnya, mereka menyelaraskan fase cermin-cermin tersebut. Dalam langkah ini, mereka menggeser segmen-segmen dengan pertambahan mikroskopis sehingga puncak dan lembah gelombang cahaya yang masuk selaras sempurna di sepanjang celah antar-heksagon. Kedelapan belas refleksi yang berbeda itu pun terkunci menjadi satu muka gelombang tunggal.

Selapis tipis emas

Permukaan berilium murni bukanlah bagian yang menangkap cahaya. Berilium sangat reflektif pada beberapa panjang gelombang, tetapi menyerap inframerah. Untuk melihat alam semesta purba yang mengalami pergeseran merah, cermin-cermin tersebut membutuhkan permukaan yang berbeda.

Di dalam ruang hampa udara di Bumi, para insinyur menguapkan sejumlah kecil emas murni dan membiarkannya mengendap di atas berilium yang telah dipoles. Lapisan emas yang dihasilkan pada setiap segmen memiliki tebal tepat 100 nanometer—sedalam sekitar seribu atom. Di seluruh permukaan cermin utama seluas 25 meter persegi, terdapat sekitar lima puluh gram emas, setara dengan massa sebuah bola golf. Emas memantulkan 99 persen cahaya inframerah, menjadikannya perangkap yang sempurna bagi emisi termal redup dari alam semesta awal. Selapis tipis kaca amorf ditempatkan di atas emas untuk melindunginya dari hantaman mikrometeoroid.

Pemilihan spektrum inframerah mengharuskan teleskop beroperasi pada suhu -233 derajat Celsius. Panas apa pun dari elektronik pesawat ruang angkasa itu sendiri akan membutakan sensornya. Untuk menjaga kondisi beku ekstrem ini, Webb membentangkan pelindung matahari lima lapis seukuran lapangan tenis, yang secara permanen menghalangi radiasi termal dari Matahari, Bumi, dan Bulan.

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak mengetahui batas mutlak daya tahan cermin ini selama beberapa dekade ke depan. Pelindung matahari dan orbitnya memang melindungi optik dari guncangan termal besar, tetapi cermin utama tetap terpapar pada serpihan mikro yang ada di sistem tata surya. Pada Mei 2022, sebuah mikrometeoroid yang lebih besar dari perkiraan menghantam segmen C3, meninggalkan cekungan permanen yang terukur dalam data optiknya.

Kita belum sepenuhnya memahami berapa lama stabilitas struktural dari bidang belakang komposit akan tetap berada dalam toleransi ketat yang disyaratkan, seiring dengan terjadinya pelepasan gas dari material dan penyesuaian posisi di lingkungan ruang hampa yang berkepanjangan. Webb membawa bahan bakar yang cukup untuk mempertahankan orbit halonya selama lebih dari dua puluh tahun, jauh melampaui perkiraan awal, yang berarti degradasi fisik pada optik dan pelindung matahari kemungkinan besar akan menentukan akhir dari misi ini.

Kita juga belum tahu apa yang akan dituntut oleh generasi cermin ruang angkasa tersegmentasi berikutnya. Habitable Worlds Observatory, penerus Webb yang diusulkan oleh NASA, akan membutuhkan toleransi penyelarasan yang bahkan lebih ketat—diukur dalam pikometer, bukan lagi nanometer—untuk memblokir cahaya bintang sepenuhnya dan menangkap citra planet ekstrasurya seukuran Bumi secara langsung.

Untuk saat ini, kedelapan belas segmen tersebut tetap mempertahankan bentuknya di kegelapan yang dingin. Mereka adalah permukaan yang terfragmentasi yang dipaksa mencapai kesempurnaan, menangkap cahaya yang meninggalkan sumbernya bahkan sebelum Bumi ada.

حين انطلق تلسكوب جيمس ويب الفضائي عام 2021، كانت مرآته الرئيسية مطوية كطاولة ذات أطراف قابلة للطي. فبقطرها البالغ 6.5 أمتار، كانت أضخم من أن يستوعبها أي غطاء حمولة صاروخي. ولرصد أقدم المجرات، تعين عليها أن تنفرد في الفراغ وتضبط محاذاتها بدقة متناهية تصل إلى عشرة نانومترات.

في أواخر ديسمبر 2021، انطلق صاروخ Ariane 5 من منصة الإطلاق في Kourou، حاملاً معه مقامرة بقيمة عشرة مليارات دولار. داخل غلاف الحمولة، استقر تلسكوب James Webb Space Telescope، وهو آلة ضخمة لدرجة تجعل من المستحيل طيرانها بتهيئتها التشغيلية الكاملة. تبلغ مساحة مرآته الرئيسية، المصممة لالتقاط فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي سافرت لمدة 13.5 مليار سنة، 6.5 أمتار، بينما كان عرض أكبر غلاف متاح للحمولة 5.4 أمتار فقط.

وتمثل الحل الذي هندسته NASA و Northrop Grumman في بناء المرآة على هيئة قطع مجزأة. صبّ المهندسون ثماني عشرة قطعة سداسية من beryllium، وهو معدن خفيف الوزن يحافظ على شكله في درجات البرودة الشديدة. ضمت المنطقة المركزية اثنتي عشرة مرآة، بينما حمل جناحان مفصليان ثلاث قطع لكل منهما، وقد طُويا للخلف لتجاوز الغطاء الانسيابي الهوائي للصاروخ. لكي يعمل التلسكوب، كان لا بد من نشر تلك المرايا الثماني عشرة المتميزة على بعد مليون ميل من الأرض عند نقطة Sun-Earth L2، وتوجيهها بدقة حتى تعمل كسطح بصري واحد متصل.

إذا بقيت قطعة واحدة خارج نطاق المحاذاة، فإن التلسكوب سيعيد صوراً مشوشة ومتداخلة. وكان هامش الخطأ المسموح به عشرة نانومترات، أي ما يعادل تقريباً واحداً من عشرة آلاف من عرض شعرة الإنسان، أو جزءاً صغيراً من الطول الموجي للضوء الذي صُمم لالتقاطه.

سبع مراحل من المحاذاة

استغرقت عملية المحاذاة ثلاثة أشهر. خلف كل مسدس من البيريليوم، يوجد ستة actuators ميكانيكية تتحكم في موضعه الفيزيائي وزاوية ميله، بالإضافة إلى محرك سابع في المركز لضبط انحنائه الدقيق. تتحرك هذه المحركات عبر تروس بخطوات لا تتجاوز سبعة نانومترات.

عندما فتح التلسكوب عينه لأول مرة في أوائل عام 2022، وجه نظره نحو نجم ساطع ومنعزل في كوكبة الدب الأكبر يسمى HD 84406. كانت الصورة الأولى التي بُثت إلى Space Telescope Science Institute في بالتيمور عبارة عن تشتت فوضوي لثمانية عشر نجماً منفصلاً، حيث كانت القطع تعمل كتلسكوبات فردية غير منسقة.

ومن خلال تقنية تسمى wavefront sensing and control، رسم المهندسون خرائط للتشوهات في ضوء النجوم. أصدروا أوامر للمحركات بإمالة وتحريك كل قطعة، محددين أي نقطة ضوئية تنتمي إلى أي مرآة فيزيائية. وببطء، جلبوا النقاط الثماني عشرة إلى مصفوفة سداسية، ثم قاموا بتركيزها، قطعة تلو أخرى، حتى اندمجت المصفوفة في نقطة حادة واحدة. أخيراً، قاموا بمواءمة أطوار المرايا؛ وفي هذه الخطوة، أزاحوا القطع بزيادات مجهرية بحيث تتماشى قمم وقيعان موجات الضوء الواردة تماماً عبر الفجوات بين المسدسات، لتتلاحم الانعكاسات الثمانية عشر المتميزة معاً في صدر موجة واحد.

غشاء من الذهب

ليس سطح البيريليوم الخام هو ما يلتقط الضوء؛ فالبيريليوم عاكس للغاية في بعض الأطوال الموجية لكنه يمتص الأشعة تحت الحمراء. ولكي نتمكن من رؤية الكون القديم المزاح نحو الأحمر، تطلبت المرايا سطحاً مختلفاً.

داخل غرفة مفرغة على الأرض، بخر المهندسون كمية ضئيلة من الذهب الخالص وتركوه يترسب فوق البيريليوم المصقول. تبلغ سماكة طبقة الذهب الناتجة على كل قطعة 100 نانومتر بالضبط، أي بعمق حوالي ألف ذرة. وعلى كامل مساحة المرآة الرئيسية البالغة 25 متراً مربعاً، يوجد ما يقرب من خمسين غراماً من الذهب، وهو ما يعادل كتلة كرة الغولف. يعكس الذهب 99 في المئة من الأشعة تحت الحمراء، مما يجعله المصيدة المثالية للانبعاثات الحرارية الخافتة من بدايات الكون. وتستقر طبقة رقيقة من الزجاج غير المتبلور فوق الذهب لحمايته من ضربات النيازك الدقيقة.

إن اختيار الأشعة تحت الحمراء يعني وجوب عمل التلسكوب عند درجة حرارة 233 مئوية تحت الصفر، إذ إن أي حرارة محيطة من إلكترونيات المركبة الفضائية نفسها ستصيب المستشعرات بالعمى. وللحفاظ على هذه البرودة القاسية، نشر "ويب" درعاً شمسية مكونة من خمس طبقات بحجم ملعب تنس، تحجب بشكل دائم الإشعاع الحراري للشمس والأرض والقمر.

ما لا نزال نجهله

لا نعرف الحد المطلق لقدرة المرآة على البقاء لعقود؛ فبينما تحمي الدرع الشمسية والمدار البصريات من الصدمات الحرارية الكبرى، تظل المرآة الرئيسية معرضة للحطام الدقيق المحيط بالنظام الشمسي. وفي مايو 2022، ضرب نيزك دقيق أكبر من المتوقع القطعة C3، تاركاً نقرة دائمة يمكن قياسها في البيانات البصرية.

ولا نفهم تماماً المدة التي سيظل فيها الاستقرار الهيكلي للوحة الخلفية المركبة ضمن التفاوتات الصارمة المطلوبة، مع استقرار المواد وإطلاق الغازات منها في بيئة الفراغ المطولة. يحمل "ويب" وقود دفع كافياً للحفاظ على مداره الهالي لأكثر من عشرين عاماً، وهو ما يتجاوز بكثير التقديرات الأولية، مما يعني أن التدهور الفيزيائي للبصريات والدرع الشمسية سيحدد على الأرجح النهاية القصوى للمهمة.

كما لا نعرف ما ستطلبه الأجيال القادمة من المرايا الفضائية المجزأة. فمرصد العوالم الصالحة للحياة Habitable Worlds Observatory، وهو الخلف المقترح من ناسا لتلسكوب "ويب"، سيتطلب تفاوتات محاذاة أكثر صرامة — تُقاس بالبيكومترات بدلاً من النانومترات — لحجب ضوء النجوم تماماً وتصوير كواكب بحجم الأرض خارج مجموعتنا الشمسية بشكل مباشر.

في الوقت الحالي، تحافظ القطع الثماني عشرة على شكلها في الظلام البارد. إنها سطح متصدع أُرغم على الكمال، ليلتقط ضوءاً غادر مصدره قبل وجود الأرض بآباد.

Когда в 2021 году был запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», его главное зеркало было сложено, точно стол с откидными полами. Шесть с половиной метров в поперечнике — оно было слишком велико для любого ракетного обтекателя. Чтобы увидеть самые ранние галактики, ему предстояло развернуться в вакууме и выровняться с точностью до десяти нанометров.

В конце декабря 2021 года ракета Ariane 5 оторвалась от стартового стола в Kourou, унося с собой ставку в десять миллиардов долларов. Под обтекателем находился James Webb Space Telescope — аппарат слишком крупный, чтобы лететь в рабочей конфигурации. Его основное зеркало, предназначенное для улавливания инфракрасных фотонов, путешествовавших 13,5 миллиардов лет, достигает 6,5 метров в поперечнике. При этом ширина самого большого доступного обтекателя полезной нагрузки составляла 5,4 метра.

Решение, разработанное NASA и Northrop Grumman, заключалось в том, чтобы собрать зеркало из частей. Восемнадцать шестиугольных сегментов отлили из beryllium — легкого металла, сохраняющего форму при экстремальном холоде. Центральная секция удерживала двенадцать зеркал. Два боковых «крыла» несли по три сегмента каждое; они были сложены назад, чтобы уместиться под аэродинамическим кожухом ракеты. Чтобы телескоп заработал, эти восемнадцать разрозненных зеркал должны были развернуться в миллионе миль от Земли, в точке Sun-Earth L2, и настроиться так, чтобы функционировать как единая, неразрывная оптическая поверхность.

Если бы хоть один сегмент остался не выровненным, телескоп выдавал бы размытые, накладывающиеся друг на друга изображения. Допустимая погрешность составляла десять нанометров — примерно одна десятитысячная толщины человеческого волоса, или малая доля длины волны света, для захвата которого он был спроектирован.

Семь этапов юстировки

Процесс юстировки занял три месяца. За каждым бериллиевым шестигранником скрываются шесть механических actuators, управляющих его физическим положением и углом наклона, и седьмой в центре — для регулировки точной кривизны. Эти двигатели перемещаются через редукторы шагами всего в семь нанометров.

Когда в начале 2022 года телескоп впервые открыл свой взор, он был направлен на яркую одиночную звезду в Большой Медведице под названием HD 84406. Первое изображение, переданное в Space Telescope Science Institute в Балтиморе, представляло собой хаотичную россыпь из восемнадцати отдельных звезд. Сегменты работали как самостоятельные, нескоординированные телескопы.

С помощью метода, называемого wavefront sensing and control, инженеры составили карту искажений звездного света. Они отдавали команды актуаторам наклонять и поворачивать каждый сегмент, определяя, какая светящаяся точка принадлежит какому зеркалу. Постепенно они выстроили восемнадцать точек в гексагональную сетку. Затем их фокусировали, сегмент за сегментом, пока массив не слился в одну четкую точку. Наконец, началась фазировка зеркал. На этом этапе сегменты смещали на микроскопические расстояния, чтобы гребни и впадины приходящих световых волн идеально совпадали в зазорах между шестиугольниками. Восемнадцать отдельных отражений сомкнулись в единый волновой фронт.

Золотая пленка

Свет улавливает вовсе не поверхность чистого бериллия. Бериллий обладает высокой отражательной способностью в некоторых диапазонах, но поглощает инфракрасное излучение. Чтобы заглянуть в древнюю Вселенную с ее красным смещением, зеркалам требовалось иное покрытие.

В вакуумной камере на Земле инженеры испарили крошечное количество чистого золота, позволив ему осесть на полированный бериллий. Получившееся золотое напыление на каждом сегменте имеет толщину ровно 100 нанометров — глубиной примерно в тысячу атомов. На всей поверхности основного зеркала площадью 25 квадратных метров распределено около пятидесяти граммов золота, что эквивалентно массе мяча для гольфа. Золото отражает 99 процентов инфракрасного света, что делает его идеальной ловушкой для слабого теплового излучения ранней Вселенной. Поверх золота нанесен слой аморфного стекла для защиты от ударов микрометеороидов.

Выбор инфракрасного диапазона означал, что телескоп должен работать при температуре -233 градуса Цельсия. Любое фоновое тепло от собственной электроники аппарата ослепило бы датчики. Чтобы поддерживать этот глубокий холод, «Уэбб» развернул пятислойный солнцезащитный экран размером с теннисный корт, навсегда закрывшись от теплового излучения Солнца, Земли и Луны.

То, чего мы еще не знаем

Нам неизвестен абсолютный предел долговечности зеркал в течение десятилетий. Тепловой экран и орбита защищают оптику от серьезных термических ударов, но основное зеркало открыто для воздействия микроскопического мусора Солнечной системы. В мае 2022 года микрометеороид, оказавшийся крупнее ожидаемого, врезался в сегмент С3, оставив на оптических данных несмываемую, измеримую вмятину.

Мы не до конца понимаем, как долго структурная стабильность композитной задней панели будет оставаться в пределах строгих допусков, по мере того как материалы выделяют газы и усаживаются в условиях длительного вакуума. Запас топлива на борту «Уэбба» позволяет удерживать гало-орбиту более двадцати лет, что значительно превосходит первоначальные оценки — а значит, физическая деградация оптики и теплового экрана, скорее всего, и определит окончательный финал миссии.

Мы также не знаем, какие требования предъявит следующее поколение сегментированных космических зеркал. Habitable Worlds Observatory, предложенный NASA преемник «Уэбба», потребует еще более жестких допусков при юстировке — измеряемых в пикометрах, а не в нанометрах, — чтобы полностью отсечь свет звезд и напрямую получить изображения экзопланет земного типа.

Пока же восемнадцать сегментов сохраняют свою форму в холодной тьме. Это раздробленная поверхность, принужденная к совершенству ради того, чтобы поймать свет, покинувший свой источник еще до существования Земли.

जब 2021 में जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का प्रक्षेपण हुआ, तब इसका प्राथमिक दर्पण किसी 'ड्रॉप-लीफ' मेज की तरह तह किया हुआ था। 6.5 मीटर की चौड़ाई के साथ, यह किसी भी रॉकेट की फेयरिंग के लिए बहुत विशाल था। प्राचीनतम आकाशगंगाओं को निहारने के लिए, इसे निर्वात में खुलना था और दस नैनोमीटर की सूक्ष्म शुद्धता के साथ स्वयं को संरेखित करना था।

दिसंबर 2021 के अंत में, Kourou स्थित पैड से एक Ariane 5 रॉकेट ने दस अरब डॉलर के एक दांव को अपने साथ लेकर उड़ान भरी। रॉकेट की फेयरिंग के भीतर James Webb Space Telescope रखा था—एक ऐसी मशीन जो अपनी कार्यशील अवस्था में उड़ान भरने के लिहाज़ से बहुत बड़ी थी। इसका मुख्य दर्पण, जिसे 13.5 अरब वर्षों से यात्रा कर रहे इन्फ्रारेड फोटॉनों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, 6.5 मीटर चौड़ा है। जबकि उपलब्ध सबसे बड़ी पेलोड फेयरिंग की चौड़ाई मात्र 5.4 मीटर थी।

NASA और Northrop Grumman द्वारा तैयार किया गया समाधान दर्पण को टुकड़ों में बनाना था। उन्होंने beryllium से अठारह षट्कोणीय खंड तैयार किए, जो एक हल्की धातु है और अत्यधिक ठंड में भी अपना आकार बनाए रखती है। मध्य भाग में बारह दर्पण थे। दो मुड़ने वाले पंखों जैसे हिस्सों में तीन-तीन खंड थे, जिन्हें रॉकेट के एरोडायनामिक आवरण के भीतर समाने के लिए पीछे की ओर मोड़ दिया गया था। टेलीस्कोप के काम करने के लिए, उन अठारह अलग-अलग दर्पणों को पृथ्वी से दस लाख मील दूर Sun-Earth L2 पर तैनात करना था और उन्हें तब तक नियंत्रित करना था जब तक कि वे एक एकल, अखंड ऑप्टिकल सतह के रूप में कार्य न करने लगें।

यदि एक भी खंड संरेखण से थोड़ा भी बाहर रह जाता, तो टेलीस्कोप धुंधली और एक-दूसरे पर चढ़ी हुई छवियां भेजता। त्रुटि की गुंजाइश मात्र दस नैनोमीटर थी—जो मोटे तौर पर मानवीय बाल की मोटाई का दस-हज़ारवां हिस्सा है, या उस प्रकाश के तरंगदैर्घ्य का एक छोटा सा अंश जिसे पकड़ने के लिए इसे बनाया गया था।

संरेखण के सात चरण

संरेखण की प्रक्रिया में तीन महीने लगे। प्रत्येक बेरिलियम षट्कोण के पीछे छह यांत्रिक actuators लगे हैं जो इसकी भौतिक स्थिति और झुकाव के कोण को नियंत्रित करते हैं, साथ ही केंद्र में एक सातवां एक्चुएटर इसकी सटीक वक्रता को समायोजित करने के लिए है। ये मोटर गियर के ज़रिए महज़ सात नैनोमीटर के सूक्ष्म चरणों में गति करते हैं।

जब 2022 की शुरुआत में टेलीस्कोप ने पहली बार अपनी आँख खोली, तो इसका रुख सप्तर्षि मंडल के एक चमकीले, एकाकी तारे HD 84406 की ओर था। बाल्टीमोर स्थित Space Telescope Science Institute को भेजी गई शुरुआती छवि अठारह अलग-अलग तारों का एक बिखराव मात्र थी। वे खंड अलग-अलग और असंगठित टेलीस्कोपों की तरह काम कर रहे थे।

wavefront sensing and control नामक तकनीक के माध्यम से, इंजीनियरों ने तारों के प्रकाश में होने वाले विरूपणों का मानचित्रण किया। उन्होंने एक्चुएटर्स को प्रत्येक खंड को झुकाने और मोड़ने का निर्देश दिया, जिससे यह पहचान हो सके कि प्रकाश का कौन सा बिंदु किस भौतिक दर्पण का है। धीरे-धीरे, वे उन अठारह बिंदुओं को एक षट्कोणीय विन्यास में ले आए। फिर उन्होंने एक-एक करके उन्हें तब तक फोकस किया जब तक कि वह पूरा विन्यास एक तीखे बिंदु में विलीन नहीं हो गया। अंततः, उन्होंने दर्पणों को 'फेज' किया। इस चरण में, उन्होंने खंडों को सूक्ष्म स्तर पर इस तरह खिसकाया कि आने वाली प्रकाश तरंगों के श्रृंग और गर्त षट्कोणों के बीच के अंतरालों पर पूरी तरह से एक सीध में आ गए। वे अठारह अलग-अलग प्रतिबिंब एक साथ जुड़कर एक एकल तरंगाग्र में तब्दील हो गए।

सोने की एक परत

कच्ची बेरिलियम सतह प्रकाश को उस तरह नहीं पकड़ती। बेरिलियम कुछ तरंगदैर्घ्य में अत्यधिक परावर्तक है लेकिन इन्फ्रारेड को सोख लेता है। प्राचीन, रेड-शिफ्टेड ब्रह्मांड को देखने के लिए, दर्पणों को एक अलग सतह की आवश्यकता थी।

पृथ्वी पर एक वैक्यूम चेंबर के भीतर, इंजीनियरों ने शुद्ध सोने की एक सूक्ष्म मात्रा को वाष्पीकृत किया और उसे पॉलिश किए गए बेरिलियम पर जमने दिया। प्रत्येक खंड पर परिणामी सोने की परत ठीक 100 नैनोमीटर मोटी है—जो लगभग एक हज़ार परमाणुओं की गहराई के बराबर है। मुख्य दर्पण की पूरी 25-वर्ग-मीटर सतह पर लगभग पचास ग्राम सोना है, जो एक गोल्फ की गेंद के द्रव्यमान के बराबर है। सोना 99 प्रतिशत इन्फ्रारेड प्रकाश को परावर्तित करता है, जिससे यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के धुंधले तापीय उत्सर्जन को पकड़ने के लिए एक आदर्श जाल बन जाता है। सोने के ऊपर अक्रिस्टलीय काँच की एक पतली परत होती है जो इसे सूक्ष्म-उल्कापिंडों की टक्कर से बचाती है।

इन्फ्रारेड के चुनाव का अर्थ था कि टेलीस्कोप को -233 डिग्री सेल्सियस पर काम करना होगा। अंतरिक्ष यान के अपने इलेक्ट्रॉनिक्स से निकलने वाली कोई भी गर्मी सेंसरों को प्रभावित कर सकती थी। इस भीषण ठंड को बनाए रखने के लिए, वेब ने टेनिस कोर्ट के आकार की पांच-परत वाली सनशील्ड खोली, जो सूर्य, पृथ्वी और चंद्रमा के तापीय विकिरण को स्थायी रूप से रोकती है।

जो हम अब भी नहीं जानते

हम नहीं जानते कि दशकों तक इस दर्पण के सुरक्षित बचे रहने की अंतिम सीमा क्या है। सनशील्ड और कक्षा दर्पणों को बड़े तापीय झटकों से बचाते हैं, लेकिन मुख्य दर्पण सौर मंडल के सूक्ष्म-मलबे के संपर्क में रहता है। मई 2022 में, उम्मीद से बड़े एक सूक्ष्म-उल्कापिंड ने खंड C3 को टक्कर मारी, जिससे ऑप्टिकल डेटा में एक स्थायी और मापने योग्य गड्ढा बन गया।

हम पूरी तरह से यह नहीं समझते हैं कि कंपोजिट बैकप्लेन की संरचनात्मक स्थिरता कब तक आवश्यक सख्त सीमाओं के भीतर बनी रहेगी, क्योंकि लंबे समय तक वैक्यूम वातावरण में रहने के कारण सामग्रियों से गैस का उत्सर्जन होता है। वेब अपने साथ इतना ईंधन ले गया है कि वह बीस वर्षों से अधिक समय तक अपनी हेलो ऑर्बिट को बनाए रख सके, जो शुरुआती अनुमानों से कहीं अधिक है; इसका मतलब है कि दर्पणों और सनशील्ड का भौतिक क्षरण ही संभवतः मिशन के अंत का निर्णायक कारण बनेगा।

हम यह भी नहीं जानते कि खंडित अंतरिक्ष दर्पणों की अगली पीढ़ी की क्या माँगें होंगी। नासा द्वारा प्रस्तावित वेब के उत्तराधिकारी Habitable Worlds Observatory को और भी सख्त संरेखण सीमाओं की आवश्यकता होगी—जिन्हें नैनोमीटर के बजाय पिकोमीटर में मापा जाएगा—ताकि तारों के प्रकाश को पूरी तरह से रोका जा सके और पृथ्वी के आकार के एक्सोप्लैनेट की सीधी तस्वीर ली जा सके।

फिलहाल, वे अठारह खंड उस ठंडे अंधेरे में अपना आकार बनाए हुए हैं। वे पूर्णता के लिए बाध्य की गई एक ऐसी खंडित सतह हैं, जो उस प्रकाश को पकड़ रही हैं जो पृथ्वी के अस्तित्व में आने से पहले ही अपने स्रोत से निकल चुका था।

2021년 제임스 웹 우주 망원경이 발사될 당시, 그 주경은 마치 접이식 탁자처럼 포개져 있었다. 지름 6.5미터에 달하는 거울은 그 어떤 로켓의 페어링에도 담을 수 없을 만큼 컸다. 태초의 은하들을 관측하기 위해, 망원경은 진공의 우주에서 스스로를 펼쳐 10나노미터라는 극미한 오차 범위 내에서 정렬을 마쳐야만 했다.

2021년 12월 말, Ariane 5 로켓이 100억 달러의 도박을 싣고 Kourou의 발사대를 박차고 솟아올랐다. 페어링 안에는 작동 상태 그대로 실어 나르기엔 너무 거대한 기계인 James Webb Space Telescope이 자리 잡고 있었다. 135억 년을 달려온 적외선 광자를 포착하도록 설계된 주경의 지름은 6.5미터에 달했다. 하지만 사용 가능한 가장 큰 페어링의 폭은 5.4미터뿐이었다.

NASA와 Northrop Grumman이 고안한 해결책은 거울을 조각조각 제작하는 것이었다. 그들은 극저온에서도 형태가 변하지 않는 가벼운 금속인 beryllium으로 18개의 육각형 조각을 주조했다. 중앙부에 12개의 거울이 배치되었고, 3개씩의 조각을 품은 두 개의 접이식 날개는 로켓의 공기역학적 슈라우드를 통과하기 위해 뒤로 접혀 있었다. 망원경이 제 기능을 하려면, 지구에서 150만 킬로미터 떨어진 Sun-Earth L2에서 이 18개의 독립된 거울을 펼친 뒤, 하나의 매끄러운 광학 표면처럼 작동할 때까지 정밀하게 조작해야 했다.

만약 단 하나의 조각이라도 정렬이 어긋난다면, 망원경은 흐릿하고 중첩된 이미지를 보내올 터였다. 허용 오차는 단 10나노미터였다. 이는 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1이자, 망원경이 포착하려는 빛의 파장보다도 짧은 수치였다.

정렬의 7단계

정렬 과정에는 3개월이 소요되었다. 각 베릴륨 육각형 거울의 뒷면에는 물리적 위치와 기울기 각도를 제어하는 6개의 기계식 actuators가 장착되어 있었으며, 정확한 곡률을 조정하기 위한 일곱 번째 장치가 중앙에 위치했다. 이 모터들은 기어를 통해 단 7나노미터 단위로 움직인다.

2022년 초, 망원경이 처음 눈을 떴을 때 그것은 큰곰자리에 있는 HD 84406이라는 밝고 외딴 별을 향해 있었다. 볼티모어의 Space Telescope Science Institute로 전송된 첫 이미지는 18개의 별이 무질서하게 흩어진 모습이었다. 거울 조각들이 협력하지 않은 채 제각각의 망원경처럼 행동하고 있었던 것이다.

엔지니어들은 wavefront sensing and control이라는 기술을 통해 별빛의 왜곡을 지도화했다. 그들은 액추에이터에 명령을 내려 각 조각을 기울이고 회전시키며, 어느 빛의 점이 어느 거울에 해당하는지 식별했다. 천천히, 18개의 점은 육각형 배열을 갖추어 나갔다. 그다음 조각 하나하나의 초점을 맞추었고, 마침내 배열은 하나의 날카로운 점으로 합쳐졌다. 마지막으로 거울의 위상을 맞추는 작업이 진행되었다. 이 단계에서 엔지니어들은 거울 조각들을 미세하게 이동시켜, 들어오는 빛의 파동이 육각형 사이의 틈새를 가로질러 마루와 골이 완벽하게 일치하도록 만들었다. 18개의 개별적인 반사광이 하나의 파면으로 고정되는 순간이었다.

금빛 막

빛을 포착하는 것은 베릴륨 표면 그 자체가 아니다. 베릴륨은 특정 파장에서 높은 반사율을 보이지만 적외선을 흡수하는 성질이 있다. 적색편이된 태고의 우주를 관측하기 위해 거울에는 다른 표면이 필요했다.

지구의 진공 챔버 안에서 엔지니어들은 소량의 순금을 증발시켜 연마된 베릴륨 위에 가라앉게 했다. 그 결과 각 조각에 입혀진 금 코팅의 두께는 정확히 100나노미터로, 원자 약 1,000개의 깊이에 해당한다. 25제곱미터에 달하는 주경 전체 표면에 사용된 금은 약 50그램으로, 골프공 하나의 질량과 비슷하다. 금은 적외선의 99%를 반사하기 때문에 초기 우주에서 오는 희미한 열 복사를 포착하는 데 완벽한 함정이 된다. 금 위에는 미소 유성체의 충돌로부터 보호하기 위해 비정질 유리로 된 얇은 층이 덮여 있다.

적외선을 관측 대상으로 선택했다는 것은 망원경이 섭씨 영하 233도에서 작동해야 함을 의미했다. 우주선 자체 전자 장치에서 발생하는 미세한 열조차 센서의 눈을 멀게 할 수 있기 때문이다. 이 극한의 냉동 상태를 유지하기 위해, 웹 망원경은 테니스 코트 크기의 5층 차광막을 펼쳐 태양, 지구, 달에서 오는 열 복사를 영구적으로 차단했다.

우리가 아직 모르는 것들

우리는 수십 년에 걸친 거울의 생존 한계가 어디까지인지 확실히 알지 못한다. 차광막과 궤도가 광학 장치를 거대한 열 충격으로부터 보호해주지만, 주경은 태양계의 미세 파편들에 그대로 노출되어 있다. 2022년 5월, 예상보다 큰 미소 유성체가 C3 조각을 타격하여 광학 데이터에 영구적이고 측정 가능한 자국을 남겼다.

진공 상태가 지속되면서 물질에서 가스가 빠져나가고 자리가 잡힘에 따라, 복합 소재 백플레인의 구조적 안정성이 요구되는 엄격한 허용 오차 내에서 얼마나 오래 유지될지도 완전히 이해하지 못하고 있다. 웹 망원경은 헤일로 궤도를 유지하기 위해 초기 예상을 훨씬 뛰어넘는 20년 분량 이상의 연료를 탑재하고 있는데, 이는 결국 광학 장치와 차광막의 물리적 노화가 임무의 최종 종료 시점을 결정하게 될 것임을 시사한다.

또한 차세대 분할형 우주 망원경이 어떤 요구 조건을 갖게 될지도 미지수다. 웹의 후계자로 제안된 Habitable Worlds Observatory는 별빛을 완전히 차단하고 지구 크기의 외계 행성을 직접 촬영하기 위해 나노미터가 아닌 피코미터 단위의 훨씬 더 정밀한 정렬 오차를 요구할 것이다.

지금 이 순간에도 18개의 거울 조각은 차갑고 어두운 곳에서 제 형태를 유지하고 있다. 그것들은 완벽을 강요받은 파편화된 표면이며, 지구가 존재하기 전 광원을 떠나온 빛을 묵묵히 붙잡고 있다.

2021年の打ち上げ時、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主鏡はバタフライテーブルのように折り畳まれていた。直径6.5メートル。その大きさは、いかなるロケットのフェアリングにも収まりきるものではなかった。宇宙最初期の銀河をその目に捉えるべく、望遠鏡は真空中で鏡を広げ、10ナノメートルという極限の精度で自律調整を行う必要があったのである。

2021年12月後半、Ariane 5ロケットが、100億ドルの賭けを載せてKourouの射点から飛び立った。フェアリングの中には、稼働時の形態では大きすぎて積載できない機械、James Webb Space Telescope（ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡）が収まっていた。135億年もの旅をしてきた赤外線フォトンを捉えるために設計されたその主鏡は、直径6.5メートルに及ぶ。利用可能な最大のペイロード・フェアリングでも、その幅は5.4メートルしかなかった。

NASAとNorthrop Grummanが導き出した解決策は、鏡を分割して造ることだった。彼らは、極低温下でも形状を維持する軽量金属beryllium（ベリリウム）から、18枚の六角形セグメントを鋳造した。中央部には12枚の鏡が固定され、ヒンジでつながれた2つの「翼」がそれぞれ3枚ずつのセグメントを保持し、ロケットの空力シールドに収まるよう後方に折り畳まれた。望遠鏡が機能するためには、これら18枚の独立した鏡が、地球から150万キロメートル離れたSun-Earth L2（太陽・地球系ラグランジュ点2）で展開され、単一の、途切れのない光学面として機能するまで制御されなければならなかった。

もし1つのセグメントでも光軸がずれれば、望遠鏡はぼやけて重なり合った像を返すことになる。許容誤差は10ナノメートル。これは人間の髪の毛の太さの約1万分の1、あるいはこの望遠鏡が捉えるべく設計された光の波長の、ほんのわずかな分に相当する。

アライメントの7段階

アライメントの工程には3ヶ月を要した。各ベリリウム製六角形セグメントの背面には、位置と傾きを制御する6つの機械式actuators（アクチュエータ）が配置され、さらに中心には曲率を微調整するための7つ目のアクチュエータが備わっている。これらのモーターは、歯車を介してわずか7ナノメートル刻みで駆動する。

2022年初頭、望遠鏡が初めてその「瞳」を開いたとき、視線の先には「おおぐま座」にあるHD 84406という明るい孤立星があった。ボルチモアのSpace Telescope Science Institute（宇宙望遠鏡科学研究所）に最初に送られてきた画像は、18個の星が乱雑に散らばったものだった。各セグメントが、調整の取れていない個別の望遠鏡として機能していたのである。

wavefront sensing and control（波面センシングおよび制御）と呼ばれる技術を用い、エンジニアたちは星光の歪みをマッピングした。彼らはアクチュエータに指令を送って各セグメントを傾け、どの光の点がどの物理的な鏡に対応するかを特定した。ゆっくりと、彼らは18個の点を六角形の配列へと整えていった。次に、それらをセグメントごとに合焦させ、配列が単一の鋭い点へと統合されるまで調整を続けた。最後に、鏡の位相合わせを行った。この段階では、セグメントをミクロン単位で動かし、入射する光の波の山と谷が、六角形同士の隙間を越えて完璧に一致するようにした。18の断片的な反射は、こうして単一の波面へと結合したのである。

金の薄膜

光を捉えるのは、ベリリウム自体の表面ではない。ベリリウムはある波長に対しては高い反射率を示すが、赤外線は吸収してしまう。赤方偏移した古代の宇宙を観測するためには、鏡には別の表面処理が必要だった。

地上の真空チャンバー内で、エンジニアたちは極少量の純金を蒸発させ、研磨されたベリリウムの上に定着させた。各セグメントに施された金コーティングの厚さは、正確に100ナノメートル——原子約1000個分の深さである。主鏡の全表面積25平方メートルに対し、使用された金は約50グラム。ゴルフボール1個分の質量にすぎない。金は赤外線の99％を反射するため、初期宇宙からの微かな熱放射を捉えるには完璧な罠となる。金層の上には、微小隕石の衝突から保護するために、アモルファスガラスの薄層が重ねられた。

赤外線を選択したことは、望遠鏡をマイナス233度で動作させなければならないことを意味した。宇宙機自体の電子機器から発せられる周囲の熱は、センサーを盲目にしてしまう。この極低温を維持するため、ウェッブはテニスコートほどの大きさの5層構造のサンシールドを展開し、太陽、地球、そして月からの熱放射を永久に遮断している。

未だ知られざる課題

数十年にわたる鏡の生存性の絶対的な限界については、まだ分かっていない。サンシールドと軌道が光学系を大きな熱衝撃から守ってはいるが、主鏡は太陽系に漂う微小な塵に常にさらされている。2022年5月には、予想を上回る大きさの微小隕石がセグメントC3を直撃し、光学データに永久的で測定可能な窪みを残した。

長期間の真空環境下で材料からガスが抜け、構造が落ち着いていく中で、複合材料製バックプレーンの構造安定性が、要求される厳しい許容誤差内にどれほど留まり続けるかは、完全には解明されていない。ウェッブはハロー軌道を維持するために20年分以上の推進剤を積んでおり、これは当初の予測を大幅に上回っている。つまり、ミッションの最終的な終焉を決定づけるのは、光学系やサンシールドの物理的な劣化になる可能性が高い。

また、次世代の分割型宇宙望遠鏡が何を要求することになるかも未知数だ。NASAが提案しているウェッブの後継機、Habitable Worlds Observatory（居住可能世界観測所）では、恒星の光を完全に遮断して地球サイズの系外惑星を直接撮影するために、ナノメートルではなくピコメートル単位という、さらに厳しいアライメント許容誤差が必要とされるだろう。

今この瞬間も、18のセグメントは冷たい暗闇の中でその形状を保っている。それらは完璧であることを強いられた断片的な表面であり、地球が誕生する以前に光源を発した光を、今も捉え続けている。

Als das James-Webb-Weltraumteleskop 2021 ins All aufbrach, war sein Hauptspiegel wie ein Klapptisch zusammengefaltet. Mit einem Durchmesser von 6,5 Metern war es zu groß für jede Raketennutzlastverkleidung. Um die frühesten Galaxien zu erblicken, musste es sich im Vakuum entfalten und auf eine Toleranz von zehn Nanometern genau ausrichten.

Ende Dezember 2021 hob eine Ariane 5-Rakete in Kourou ab und trug ein Zehn-Milliarden-Dollar-Wagnis in den Himmel. In der Nutzlastverkleidung befand sich das James Webb Space Telescope, eine Maschine, die zu groß war, um in ihrer Betriebskonfiguration zu fliegen. Sein Primärspiegel, konzipiert, um Infrarot-Photonen einzufangen, die seit 13,5 Milliarden Jahren unterwegs sind, hat einen Durchmesser von 6,5 Metern. Die größte verfügbare Nutzlastverkleidung war jedoch nur 5,4 Meter breit.

Die von der NASA und Northrop Grumman entwickelte Lösung bestand darin, den Spiegel in Einzelteilen zu bauen. Sie gossen achtzehn hexagonale Segmente aus beryllium, einem Leichtmetall, das seine Form auch bei extremer Kälte beibehält. Der zentrale Abschnitt trug zwölf Spiegel. Zwei klappbare Flügel hielten jeweils drei Segmente, die nach hinten gefaltet waren, um unter die aerodynamische Verkleidung der Rakete zu passen. Damit das Teleskop funktionierte, mussten diese achtzehn einzelnen Spiegel in einer Entfernung von anderthalb Millionen Kilometern von der Erde am Sun-Earth L2 entfaltet und so justiert werden, dass sie als eine einzige, lückenlose optische Fläche agierten.

Sollte auch nur ein Segment nicht präzise ausgerichtet sein, würde das Teleskop unscharfe, überlappende Bilder liefern. Die Fehlertoleranz lag bei zehn Nanometern – etwa ein Zehntausendstel der Breite eines menschlichen Haares oder ein Bruchteil der Wellenlänge des Lichts, das es einfangen sollte.

Sieben Stufen der Ausrichtung

Der Ausrichtungsprozess dauerte drei Monate. Hinter jedem Beryllium-Sechseck sitzen sechs mechanische actuators, die seine physische Position und den Neigungswinkel steuern, sowie ein siebter in der Mitte, um die exakte Krümmung anzupassen. Diese Motoren bewegen sich über Getriebe in Schritten von nur sieben Nanometern.

Als das Teleskop Anfang 2022 zum ersten Mal sein Auge öffnete, blickte es auf einen hellen, isolierten Stern im Großen Bären namens HD 84406. Das erste Bild, das an das Space Telescope Science Institute in Baltimore übermittelt wurde, war eine chaotische Streuung von achtzehn einzelnen Sternen. Die Segmente fungierten noch als individuelle, unkoordinierte Teleskope.

Mithilfe einer Technik namens wavefront sensing and control kartierten Ingenieure die Verzerrungen im Sternenlicht. Sie steuerten die Aktuatoren an, um jedes Segment zu neigen und zu kippen, wobei sie identifizierten, welcher Lichtpunkt zu welchem physischen Spiegel gehörte. Langsam brachten sie die achtzehn Punkte in eine hexagonale Anordnung. Dann fokussierten sie diese, Segment für Segment, bis die Anordnung zu einem einzigen, scharfen Punkt verschmolz. Schließlich wurden die Spiegel gephast. In diesem Schritt verschoben sie die Segmente in mikroskopischen Schritten, sodass die Wellenberge und -täler der eintreffenden Lichtwellen über die Lücken zwischen den Sechsecken hinweg perfekt aufeinander abgestimmt waren. Die achtzehn einzelnen Reflexionen fügten sich zu einer einzigen Wellenfront zusammen.

Ein Hauch von Gold

Es ist nicht die rohe Beryllium-Oberfläche, die das Licht einfängt. Beryllium reflektiert zwar bestimmte Wellenlängen hervorragend, absorbiert aber Infrarotstrahlung. Um das ferne, rotverschobene Universum sehen zu können, benötigten die Spiegel eine andere Oberfläche.

In einer Vakuumkammer auf der Erde ließen Ingenieure eine winzige Menge reines Gold verdampfen und sich über das polierte Beryllium legen. Die resultierende Goldbeschichtung auf jedem Segment ist exakt 100 Nanometer dick – etwa eintausend Atome tief. Auf der gesamten 25 Quadratmeter großen Fläche des Primärspiegels befinden sich etwa fünfzig Gramm Gold, was in etwa der Masse eines Golfballs entspricht. Gold reflektiert 99 Prozent des Infrarotlichts und ist damit die perfekte Falle für die schwachen thermischen Emissionen aus dem frühen Universum. Eine dünne Schicht aus amorphem Glas liegt über dem Gold, um es vor Einschlägen von Mikrometeoriten zu schützen.

Die Entscheidung für den Infrarotbereich bedeutete, dass das Teleskop bei -233 Grad Celsius arbeiten musste. Jede Umgebungswärme der bordeigenen Elektronik würde die Sensoren blenden. Um diesen extremen Frost aufrechtzuerhalten, entfaltete Webb einen fünfschichtigen Sonnenschutz von der Größe eines Tennisplatzes, der die Wärmestrahlung von Sonne, Erde und Mond dauerhaft abschirmt.

Was wir noch immer nicht wissen

Wir kennen die absolute Grenze der Überlebensfähigkeit des Spiegels über Jahrzehnte hinweg nicht. Der Sonnenschutz und die Umlaufbahn schützen die Optik vor größeren thermischen Schocks, doch der Primärspiegel ist dem ständigen Mikrobeschuss des Sonnensystems ausgesetzt. Im Mai 2022 traf ein Mikrometeorit, der größer als erwartet war, das Segment C3 und hinterließ eine dauerhafte, messbare Delle in den optischen Daten.

Wir verstehen noch nicht vollständig, wie lange die strukturelle Stabilität der Verbundstoff-Trägerstruktur innerhalb der geforderten engen Toleranzen bleiben wird, während Materialien im langjährigen Vakuum ausgasen und sich setzen. Webb führt genug Treibstoff mit sich, um seine Halo-Umlaufbahn für mehr als zwanzig Jahre beizubehalten, was die ursprünglichen Schätzungen weit übertrifft. Das bedeutet, dass die physische Abnutzung der Optik und des Sonnenschutzes wahrscheinlich das endgültige Ende der Mission bestimmen wird.

Ebenso wissen wir nicht, welche Anforderungen die nächste Generation segmentierter Weltraumspiegel stellen wird. Das Habitable Worlds Observatory, der von der NASA geplante Nachfolger von Webb, wird noch engere Ausrichtungstoleranzen erfordern – gemessen in Pikometern statt Nanometern –, um das Sternenlicht vollständig auszublenden und erdähnliche Exoplaneten direkt abzubilden.

Vorerst bewahren die achtzehn Segmente ihre Form in der kalten Dunkelheit. Sie sind eine zerstückelte Oberfläche, die zur Perfektion gezwungen wurde und Licht auffängt, das seine Quelle verließ, noch bevor die Erde existierte.

Lorsqu'en 2021 le télescope spatial James Webb s'élança, son miroir primaire était replié comme une table à rabats. Large de 6,5 mètres, il était trop vaste pour n'importe quelle coiffe de fusée. Pour observer les premières galaxies, il dut se déployer dans le vide et s'aligner avec une tolérance de dix nanomètres.

À la fin du mois de décembre 2021, une fusée Ariane 5 s’est arrachée de son pas de tir à Kourou, emportant avec elle un pari à dix milliards de dollars. Sous sa coiffe se trouvait le James Webb Space Telescope, une machine trop volumineuse pour voyager dans sa configuration de travail. Son miroir primaire, conçu pour capturer des photons infrarouges ayant voyagé pendant 13,5 milliards d'années, mesure 6,5 mètres de large. Or, la coiffe la plus spacieuse alors disponible n'affichait que 5,4 mètres de largeur.

La solution conçue par la NASA et Northrop Grumman fut de construire le miroir en plusieurs pièces. Ils ont fondu dix-huit segments hexagonaux en beryllium, un métal léger qui conserve sa forme dans un froid extrême. La section centrale comprenait douze miroirs. Deux ailes pivotantes supportaient chacune trois segments, repliés vers l'arrière pour loger sous la coiffe aérodynamique de la fusée. Pour que le télescope puisse fonctionner, ces dix-huit miroirs distincts devaient être déployés à 1,6 million de kilomètres de la Terre, au point Sun-Earth L2, puis manipulés jusqu'à ce qu'ils agissent comme une surface optique unique et continue.

Si un seul segment restait mal aligné, le télescope renverrait des images floues et dédoublées. La marge d'erreur était de dix nanomètres — soit environ un dix-millième de l'épaisseur d'un cheveu humain, ou une fraction de la longueur d'onde de la lumière qu'il est censé capturer.

Sept étapes d'alignement

Le processus d'alignement a duré trois mois. Derrière chaque hexagone de béryllium se trouvent six actuators mécaniques qui contrôlent sa position physique ainsi que ses angles d'inclinaison et de basculement, plus un septième au centre pour ajuster sa courbure exacte. Ces moteurs se déplacent via des engrenages par incréments de seulement sept nanomètres.

Lorsque le télescope a ouvert l'œil pour la première fois, au début de l'année 2022, il était braqué sur une étoile brillante et isolée de la Grande Ourse nommée HD 84406. L'image initiale transmise au Space Telescope Science Institute de Baltimore n'était qu'un éparpillement chaotique de dix-huit étoiles distinctes. Les segments se comportaient comme autant de télescopes individuels et non coordonnés.

Grâce à une technique appelée wavefront sensing and control, les ingénieurs ont cartographié les distorsions de la lumière stellaire. Ils ont commandé aux actionneurs d'incliner et de faire pivoter chaque segment, identifiant quel point lumineux appartenait à quel miroir physique. Lentement, ils ont disposé les dix-huit points en une matrice hexagonale. Puis ils les ont focalisés, segment par segment, jusqu'à ce que la matrice fusionne en un point unique et net. Enfin, ils ont mis les miroirs en phase. Lors de cette étape, ils ont déplacé les segments par incréments microscopiques afin que les crêtes et les creux des ondes lumineuses entrantes s'alignent parfaitement au-dessus des interstices entre les hexagones. Les dix-huit reflets distincts se sont alors verrouillés pour former un front d'onde unique.

Une pellicule d'or

La surface de béryllium brut n'est pas celle qui capte la lumière. Le béryllium est hautement réfléchissant pour certaines longueurs d'onde, mais il absorbe l'infrarouge. Pour observer l'univers ancien et son décalage vers le rouge, les miroirs nécessitaient une surface différente.

Dans une chambre à vide sur Terre, les ingénieurs ont vaporisé une infime quantité d'or pur pour la laisser se déposer sur le béryllium poli. Le revêtement d'or qui en résulte sur chaque segment mesure exactement 100 nanomètres d'épaisseur — soit une profondeur d'environ mille atomes. Sur l'ensemble des 25 mètres carrés de la surface du miroir primaire, on compte environ cinquante grammes d'or, soit l'équivalent de la masse d'une balle de golf. L'or réfléchit 99 % de la lumière infrarouge, ce qui en fait le piège parfait pour les faibles émissions thermiques de l'univers primitif. Une fine couche de verre amorphe recouvre l'or pour le protéger des impacts de micrométéoroïdes.

Le choix de l'infrarouge imposait au télescope de fonctionner à -233 degrés Celsius. Toute chaleur ambiante provenant de l'électronique même de l'engin spatial aveuglerait les capteurs. Pour maintenir ce froid abyssal, Webb a déployé un pare-soleil à cinq couches de la taille d'un court de tennis, bloquant en permanence le rayonnement thermique du Soleil, de la Terre et de la Lune.

Ce que nous ignorons encore

Nous ignorons la limite absolue de survie du miroir sur plusieurs décennies. Le pare-soleil et l'orbite protègent l'optique des chocs thermiques majeurs, mais le miroir primaire reste exposé aux micro-débris ambiants du système solaire. En mai 2022, un micrométéoroïde plus gros que prévu a frappé le segment C3, laissant une empreinte permanente et mesurable dans les données optiques.

Nous ne comprenons pas encore totalement combien de temps la stabilité structurelle de la structure de support composite restera dans les limites de tolérance strictes requises, à mesure que les matériaux dégagent des gaz et se stabilisent dans un environnement de vide prolongé. Webb transporte assez de propergol pour maintenir son orbite de halo pendant plus de vingt ans, dépassant de loin les estimations initiales ; cela signifie que la dégradation physique de l'optique et du pare-soleil dictera probablement la fin ultime de la mission.

Nous ignorons également ce qu'exigera la prochaine génération de miroirs spatiaux segmentés. Le Habitable Worlds Observatory, le successeur de Webb proposé par la NASA, nécessitera des tolérances d'alignement encore plus strictes — mesurées en picomètres plutôt qu'en nanomètres — afin de bloquer totalement la lumière des étoiles et de fournir une imagerie directe d'exoplanètes de la taille de la Terre.

Pour l'instant, les dix-huit segments conservent leur forme dans l'obscurité glaciale. Ils forment une surface brisée contrainte à la perfection, captant une lumière qui a quitté sa source avant même que la Terre n'existe.

Image sources & licenses (7)

Webb Telescope Mirrors Utilize Innovative Space Shielding — NASA Goddard Photo and Video, BY 2.0. Source (openverse)
Webb Telescope Mirrors Utilize Innovative Space Shielding — NASA Goddard Photo and Video, BY 2.0. Source (openverse)
James Webb Space Telescope Mirrors Undergoing Cryogenic Testing — James Webb Space Telescope, BY 2.0. Source (openverse)
Webb Air Force Base — United States Geological Survey (USGS), Public domain. Source (wikipedia)
Caption: During cryogenic testing, the mirrors will be subjected to temperatures dipping to 24 Kelvins, permitting engineers to measure in e — NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given, Public domain. Source (commons)
The primary mirror of NASA's James Webb Space Telescope consisting of 18 hexagonal mirrors looks like a giant puzzle piece standing in the m — Chris Gunn, CC BY 2.0. Source (commons)
NASA engineer Ernie Wright looks on as the first six flight ready James Webb Space Telescope's primary mirror segments are prepped to begin — NASA/MSFC/David Higginbotham, Public domain. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

Gardner, J. P. et al. (2006). "The James Webb Space Telescope." Space Science Reviews 123, 485–606.
Feinberg, L. D. et al. (2014). "James Webb Space Telescope optical telescope element design, development, and performance." Optical Engineering 53 (3).
Acton, D. S. et al. (2012). "Wavefront sensing and controls for the James Webb Space Telescope." Proceedings of SPIE 8442.
Lightsey, P. A. et al. (2012). "James Webb Space Telescope: large deployable cryogenic telescope in space." Optical Engineering 51 (1).

Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

James Webb's mirror is 18 separate pieces that must align to 1/10,000th the width of a human hair. They're so precisely positioned that they act as one perfect mirror seeing the first galaxies. Here's the problem: James Webb's mirror is 6.5 meters across - too big to fit in any rocket. The solution? Build it from 18 hexagonal segments that unfold in space. But here's where it gets insane. Each segment has its own motors that can adjust its position and curvature. After launch, the telescope spent months in space aligning these segments. They had to match each other to within 10 nanometers - about 1/10,000th of a human hair. One segment out of alignment? The telescope is useless. The mirrors are made of beryllium coated with a layer of gold just 100 nanometers thick - about 1,000 atoms. Gold reflects infrared light perfectly. The beryllium stays stable at -233 degrees Celsius. Why so cold? Webb looks for infrared light from the oldest galaxies - light that's been traveling for 13.5 billion years. Any warmth from the telescope itself would blind it. Webb operates behind a tennis-court-sized sunshield, staying colder than any natural place in our solar system. The mind-blowing truth? Light from the first galaxies after the Big Bang is finally reaching us. Webb can see it because 18 mirrors are positioned perfectly enough to act as one. We're seeing the universe's baby photos - through humanity's most perfect eye.

HI script

James Webb ka mirror 18 alag pieces hain jo human hair ki width ke 1/10,000th tak align hone chahiye. Ye itne precisely positioned hain ki ye ek perfect mirror ki tarah kaam karte hain pehli galaxies dekhte hue. Problem yeh hai: James Webb ka mirror 6.5 meters across hai - kisi bhi rocket mein fit hone ke liye bahut bada. Solution? 18 hexagonal segments se banao jo space mein unfold hon. Par yahan insane hota hai. Har segment ke apne motors hain jo uski position aur curvature adjust kar sakte hain. Launch ke baad, telescope ne space mein months lagaye in segments ko align karne mein. Inhe ek doosre se 10 nanometers ke andar match karna tha - lagbhag human hair ka 1/10,000th. Ek segment misaligned? Telescope bekar. Mirrors beryllium ke bane hain jinpar gold ki layer coating hai sirf 100 nanometers thick - lagbhag 1,000 atoms. Gold infrared light perfectly reflect karta hai. Beryllium -233 degrees Celsius par stable rehta hai. Itna thanda kyun? Webb sabse purani galaxies se infrared light dhundhta hai - light jo 13.5 billion saal se travel kar rahi hai. Telescope ki khud ki koi bhi warmth ise blind kar degi. Webb ek tennis-court-sized sunshield ke peeche operate karta hai, hamare solar system ki kisi bhi natural jagah se zyada thanda. Mind-blowing sach? Big Bang ke baad pehli galaxies ki light finally hum tak pahunch rahi hai. Webb ise dekh sakta hai kyunki 18 mirrors itne perfectly positioned hain ki ek ki tarah kaam karein. Hum universe ki baby photos dekh rahe hain - humanity ki sabse perfect eye se.

01
Webb telescope unfolding in space with golden hexagonal mirrors
02
Engineers inspecting a mirror segment in a cleanroom
03
Mirror segments inside a cryogenic test chamber
04
Close-up of gold coating on beryllium substrate
05
Webb behind sunshield in deep space
06
Scientists reacting in an operations room