제임스 웹 우주망원경
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2022년 1월 12일, 제임스 웹이 아직 목적지로 이송 중인 동안에 거울 정렬이 시작되었다. 주거울 세그먼트와 부거울은 발사 당시 보호를 위한 위치로부터 멀어졌다. 액추에이터 모터 132개가 거울 위치를 극히 정밀하게 조정하도록 설계되어, 초기 배열 상태에서 각각 120만 단(12.5 mm)을 움직여야 했기 때문에 이 작업은 10일 정도가 소요되었다.
거울을 정렬하려면 18개 거울 세그먼트와 부거울을 각각 50나노미터의 허용 오차 이내에 들도록 위치시켜야 했다. NASA는 이러한 정밀도에 관해서 "제임스 웹의 주거울이 미국만한 크기였더라면 각 거울 세그먼트는 텍사스만한 크기였을 것이고, 작업자들은 이 텍사스만한 세그먼트들을 1.5인치 높이의 정밀도로 조정해야 했을 것"이라고 비유하였다.
제임스 웹 우주 망원경의 거울 정렬 애니메이션
세그먼트 이미지 식별 절차. 18개의 거울 세그먼트를 움직여서 각 세그먼트가 어떤 세그먼트 이미지를 생성하는지 확인한다. 거울 세그먼트를 해당 이미지와 매칭한 후, 향후 분석을 위해 거울을 기울여서 모든 이미지를 화면의 한 부분 근처로 가져간다.
부거울을 서서히 움직여서 세그먼트 이미지를 디포커싱함으로써 거울 정렬을 실시한다. 위상 복원(영어판)이라는 수학적 분석을 통해 초점이 나간 이미지에서 세그먼트의 위치 오차를 정밀하게 측정한다. 이렇게 조정된 거울 세그먼트들은 잘 교정된 열여덟 개의 망원경이 된다. 아직 거울 세그먼트는 단일 거울로 합쳐져서 기능하지 않는다.
이미지 스택(image stacking). 거울에 들어오는 모든 빛을 한데 모은다. 각각의 거울 세그먼트가 생성하는 이미지는 차곡차곡 스택되어야 한다. 이미지 스택 절차에서 각 세그먼트 이미지는 정확히 화면 중앙으로 이동하여 하나로 통일된 이미지를 만들어낸다. 이 과정이 끝나면 망원경은 거울 세그먼트의 수직 변위를 측정하고 교정하는 거친 위상 조정(coarse phasing) 단계에 들어간다.
관측 장비의 화각에 대한 망원경 정렬. 정밀 위상 조정(fine phasing)이 끝난 망원경은 NIRCam의 화면 한 곳에 정렬하게 된다. 이제 나머지 관측 장비에 대해서도 정렬 작업을 수행해야 한다.
거울 정렬은 일곱 단계로 구성되었으며, 1:6 축척 모형으로 반복해서 예행 연습할 정도로 복잡한 작업이었다. 거울의 온도가 120 K (−153 °C; −244 °F)에 이른 후, 큰곰자리에 있는 6등성 HD 84406을 표적으로 삼아서 NIRCam을 이용한 거울 정렬이 결정되었다. 이를 해내기 위해서 NIRCam이 하늘을 1,560회 촬영하였으며, 이렇게 광범위하게 촬영된 이미지들을 통해 주거울 세그먼트의 거울면이 어디를 향하고 있는지 확인되었다. 처음에 주거울 세그먼트들은 크게 어긋난 채로 있었기 때문에 표적 별의 상은 열여덟 개로 분열된 채로 흐릿했다. HD 84406의 분열된 상이 각각 어떤 거울 세그먼트에 의한 것인지 확인된 후, 열여덟 주거울 세그먼트는 대략 그 별을 중심으로 해서 정렬되었다(세그먼트 이미지 식별). 그런 다음 위상 복원(영어판)이라는 기술로 거울 세그먼트마다 개별적으로 있는 주요한 포커스 에러가 교정되면서 세그먼트가 만들어내는 이미지들의 품질이 향상되었고(세그먼트 정렬), 각각의 거울 세그먼트 이미지가 한 곳에 정밀하게 겹치면서 하나의 이미지를 만들어 내었다(이미지 스택).
이제 상이 거의 정확히 맺히게 배치된 거울은 장치가 감지할 빛의 파장보다도 짧은 50나노미터의 정밀도로 미세하게 조정되어야 했다. 분산 간섭무늬 검출(영어: dispersed fringe sensing)이라는 기술을 통해 20개의 독립된 거울 세그먼트 페어링이 만들어내는 이미지를 비교해가면 거울을 정렬할 때 생긴 오차의 대부분을 교정할 수 있으며(거친 위상 조정), 그런 다음 각 세그먼트 이미지에 디포커스를 주면 앞에서 교정되고 남은 오차의 대부분을 찾아내어 수정할 수 있다(미세 위상 조정). 이러한 두 과정은 세 차례 반복되었다. 미세 위상 조정의 경우는 망원경이 운용되는 동안에도 일상적인 점검이 이루어진다. 거친 조정과 미세 조정을 세 차례 거듭한 망원경은 NIRCam의 화면 한 곳에 정렬되었다. 모든 관측 장비에 대해서 그 장비가 촬영한 이미지 곳곳에서 빛의 세기를 측정하는 작업이 이루어졌고, 그렇게 검출된 빛의 세기에서 나타나는 변화로 산출된 보정량은 모든 관측 장비에 대해 잘 정렬된 결과를 내놓았다(관측 장비 화각에 대한 망원경 정렬). 마지막으로 앞선 절차에서 허용할 수 없는 작은 오차조차 남지 않게 하도록 모든 관측 장비에 대해서 최종 미세 조정 작업과 이미지 품질 검사가 이루어졌다(최종 교정을 위한 반복 정렬). 그리하여 망원경의 거울 세그먼트는 정렬 작업이 완료되어 초점이 정밀하게 맺힌 이미지를 촬영할 수 있게 되었다.
거울 정렬을 준비하던 2022년 2월 3일 UTC 19시 28분, NASA는 아직 이미지를 공개하지 않았지만 NIRCam이 망원경에서 온 빛을 최초로 검출하였다고 밝혔다. 2022년 2월 11일, NASA는 망원경의 정렬 1단계 작업이 거의 막바지에 이르렀다고 밝혔다. 주거울을 구성하는 세그먼트마다 표적 별 HD 84406의 위치를 찾아내어 이미징하였고, 모든 거울 세그먼트가 대략이나마 정렬되었다. 1단계 정렬은 2022년 2월 18일에 완료되었으며, 일주일 후에는 2단계와 3단계 정렬 작업도 완료되었다. 이는 열여덟 거울이 조화롭게 작용하고 있음을 의미하였지만, 정렬 7단계가 끝날 때까지 거울 세그먼트는 여전히 하나의 큰 망원경이 아닌 열여덟 개의 작은 망원경처럼 작동했다. 주거울이 준비 과정에 들어간 동시에 다른 장비 수백 개도 준비 과정에 들어갔고, 캘리브레이션 작업도 진행되었다.
정렬 1단계 과정 이미지. 이미지마다 그 이미지를 만들어낸 거울 세그먼트의 이름이 표시되어 있다.
정렬 1단계가 완료된 HD 84406 이미지. 이미지마다 상응하는 거울 세그먼트의 이름이 표시되어 있다.
정렬 2단계가 완료. 거울 세그먼트의 정렬 전후에 촬영한 이미지를 비교하고 있다.
정렬 3단계 완료. HD 84406의 열여덟 이미지 세그먼트를 겹쳐서 하나로 만들었다.
NIRCam 관측 장비가 촬영한 별 2MASS J17554042+6551277.
정렬 과정 중에 NIRCam이 촬영한 제임스 웹의 셀프카메라.
스피처 우주 망원경과 제임스 웹 우주 망원경이 촬영한 이미지 비교.
제임스 웹 우주 망원경의 이미지 센서 화각 정렬.
제임스 웹의 정밀지향센서 이미지.