¿Por qué no usar solo una paleta de soporte para el espejo secundario, para evitar múltiples picos de difracción?

No puedo hablar por el JWST, pero trabajo en una empresa que diseña telescopios para naves espaciales y puedo decirles que gran parte de la estructura del telescopio es para proteger los instrumentos durante el ascenso inicial al espacio donde las vibraciones de lanzamiento y g-loading será lo peor. Además, los espejos para telescopios tan grandes tienen tolerancias de alineación realmente precisas y, si el espejo secundario no está muy rígidamente unido a la nave espacial, incluso las microtensiones simples de las cargas de calor o la orientación de la nave espacial pueden desalinear el espejo. Incluso el hecho de que el telescopio vaya de un entorno de 1 g a un entorno de 0 g puede mover el espejo porque estaba alineado en la Tierra cuando el haz estaba ligeramente doblado y luego vuelve a estar recto en microgravedad y el espejo está desalineado.

Soy un fabricante de telescopios aficionado.

Existen diseños de una sola paleta. Su principal problema es la falta de estabilidad. Tendría que usar una paleta muy gruesa para mantener la secundaria en su lugar de manera estable. Eso bloquearía una cantidad significativa de luz y podría afectar el rendimiento del instrumento.

Los sistemas activos, aunque teóricamente posibles, serían muy costosos. Muchas vibraciones son bastante rápidas, necesitaría el sistema para rastrear la alineación, detectar desviaciones, tomar decisiones muy rápidamente y aplicar correcciones. Mientras tanto, para los grandes telescopios, la masa del espejo secundario no es insignificante. Los propios actuadores flexionarían e inclinarían la paleta mientras giran el espejo. Este no es un trabajo trivial en absoluto.

Es mucho más simple usar múltiples paletas.

Un hecho menos conocido: cada paleta recta en realidad tiene 2 puntas, diametralmente opuestas. Entonces, incluso el sistema de una sola paleta aún generaría 2 picos.

Un sistema de 3 paletas genera 6 puntas y un sistema de 4 paletas genera 8 puntas.

Entonces, ¿por qué los sistemas de 4 paletas parecen hacer solo 4 picos? Porque coinciden dos a dos. Dentro de cada par de paletas opuestas, cada paleta está cuidadosamente alineada con su pareja opuesta. Esto fusionará los picos de dos en dos y simplificará la figura general.

De hecho, puedes hacer que los picos desaparezcan. Cada pico es perpendicular a la veleta que lo causa. Es la luz que se difracta en el borde, yendo hacia los lados desde el borde de la veleta. Cada punto en el borde difracta la luz: el pico es el resultado de todos los puntos en el borde, cada uno de los cuales difracta un poco de luz.

Entonces, ¿qué sucede si curvas la veleta? La espiga se "extiende", como cuando abres un abanico. Ya no es una línea nítida, es un área completa.

Si la veleta se curva exactamente en medio círculo, entonces la espiga se desvanece al máximo: se convierte en una figura completa de 360 ​​grados. En la práctica, cuando se extiende tanto, la espiga se vuelve invisible a los ojos del observador. Se dice que los telescopios con aspas curvas no tienen puntas.

Pero no hay almuerzo gratis. Ahora que ha extendido los picos, esa luz difractada todavía está allí. Lo que sucede es que el campo de visión se vuelve en general un poco más "borroso", como en una niebla de luz. El efecto es muy leve, pero es importante para las observaciones críticas.

Finalmente, siempre puede instalar una placa de vidrio plana en la parte superior del instrumento y pegarle el soporte del espejo secundario. Esto definitivamente eliminará toda la difracción.

Pero es difícil fabricar una placa grande y ópticamente plana como esa. Será grueso y pesado. Esto no se escalará más allá del tamaño de los telescopios reflectores pequeños. También hay problemas con el enfriamiento, que se vuelve más lento y complejo, porque el telescopio ahora está cerrado en la parte superior.

Los telescopios SCT que usan una placa correctora (no plana) hacen esto de todos modos. Lo mismo con los sistemas Maksutov-Cassegrain (MCT). La placa está ahí para corregir el instrumento, también podrías pegarle la secundaria.

(En realidad, mentí. Los diseños SCT y MCT están hechos a propósito para que la ubicación de la placa correctora y la ubicación del espejo secundario coincidan. En la práctica, es más fácil construirlo de esa manera. Pero en teoría, la placa y el espejo no tienen por qué coincidir.)

Así que las opciones principales son:

1. Tres o cuatro paletas rectas. Máxima estabilidad. Obtiene 6 o 4 (nominalmente 6 u 8) picos, pero la imagen entre los picos está limpia.

2. Una paleta curva de medio círculo. A veces, dos paletas curvas opuestas, como una X con brazos curvados hacia arriba/abajo en dos semicírculos, o como el número 8 con las tapas superior e inferior recortadas (esto es más estable pero genera más difracción). Sin picos visibles. Contraste algo reducido porque los picos se han manchado por toda la imagen.

3. Una sola paleta gruesa. O no es muy estable o reduce la cantidad de luz capturada por el instrumento.

4. Sin paletas, solo una placa de vidrio. Caro, pesado, no escala. Pero si la placa no es plana podrías usarla para aplicar correcciones al instrumento, por lo que entonces se justifica su existencia.

La opción #1 es la más popular para telescopios reflectores profesionales y aficionados. El #2 es usado a veces por personas que se oponen a las púas por motivos estéticos. # 3 rara vez se ve en la práctica. #4 se usa con sistemas SCT corregidos, MCT y similares, porque la placa ya está allí por diseño.

No puedo responder sobre el JWST. En cuanto a los telescopios de aficionados, existe la opción de utilizar soportes curvos, que están destinados a eliminar los picos de difracción y reducir la difracción general. http://www.fpi-protostar.com/crvmnts.htm

Aunque los soportes curvos eliminan los picos de difracción, la difracción ocurre simétricamente alrededor de los objetos brillantes.

tl; dr: Es posible que el uso de una paleta no brinde ninguna ventaja óptica sobre tres paletas, ya que el espejo primario ya está muy segmentado y "nervioso", y ciertamente brinda muchas desventajas mecánicas en términos de rigidez contra la traducción de vibración lateral y rotura de simetría durante la expansión térmica!

nota: actualizaré esta respuesta pronto, una vez que tenga acceso a algunos documentos de SPIE.

Rigidez

Las naves espaciales, incluso los telescopios espaciales, contienen muchas fuentes activas de vibración. Bombas, válvulas, refrigeradores, propulsores, ruedas de reacción, actuadores (JWST tiene un reflector solar móvil para reducir la presión de radiación) antenas móviles y paneles solares (Hubble al menos, no estoy seguro acerca de JWST, lo comprobará...) e incluso las cargas científicas pueden tener espejos móviles o mecanismos de enfoque.

Un montaje de tres paletas proporciona sustancialmente más rigidez contra el movimiento en el plano, ya que la flexión de una paleta daría como resultado tensión y compresión en las otras dos paletas.

Para una sola paleta; tienes una masa en el extremo de un palo. Mi primer telescopio fue un Edmund Newtonian de 4¼ pulgadas con un gran prisma de vidrio en ángulo recto en el extremo de una barra de metal. Podrías tocar el tubo cerca de la parte superior y esa cosa sonaría, haciendo que la imagen se volviera borrosa.

Tres paletas frente a una también ayudarán en las vibraciones axiales (hacia/alejamiento de la primaria) pero no tanto como las transversales, pero las oscilaciones transversales pequeñas son mucho peores que las vibraciones axiales pequeñas porque la secundaria está curvada. Muévalo hacia los lados y la imagen se deslizará hacia adelante y hacia atrás a través de los sensores de imagen, desdibujándose a través de los píxeles. Decenas de micrones de movimiento lateral de la imagen matarán la resolución.

Sin embargo, decenas de micras de movimiento axial difícilmente marcarían una diferencia en el enfoque en una distancia focal larga y un f/no alto. sistema.

Simetría bajo expansión térmica

Con el enorme parasol multicapa, JWST muestra un gran esfuerzo para mantener muy baja la temperatura de todas las ópticas y el sistema detector para que no contribuya con la radiación infrarroja térmica y los sensores tengan un bajo ruido térmico.

Sin embargo, también le gustaría mantener los elementos estructurales grandes lo más estables térmicamente posible para minimizar la desviación en el enfoque y la posición de la imagen. Una araña de tres paletas ofrece cierta cantidad de simetría lateral y, si hay cambios de temperatura, podría reducir la cantidad de deriva lateral, en comparación con una sola paleta donde la expansión-contracción obviamente solo haría que la secundaria se moviera hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la paleta. eje.

Difracción, PSF y Hubble

El Telescopio Espacial Hubble sufre los efectos de difracción de sus cuatro aspas , así como de su secundario gigante y tres orificios pasantes de espejo para el montaje , pero un gran esfuerzo en la gestión de la función de dispersión de puntos del HST (por ejemplo, "modelado óptico usando Tiny Tim" ) parece manejar esto bien.

De esta respuesta en Photography SE:

(ver también) Respuesta (excelente) de @ scottbb ... Para el análisis científico de imágenes del Hubble, uno tiene que tener en cuenta todas las aberraciones, difracción y pixelación. Hay una buena reseña sobre esto: 20 años de modelado óptico del Telescopio Espacial Hubble usando Tiny Tim .

Número de paleta

Es importante tener en cuenta que WFIRST fue al revés y ¡tenía seis paletas!

De Introducción a WebbPSF para WFIRST :

Función de dispersión de puntos de JWST: ¡no olvide el primario segmentado!

La siguiente imagen está fuera de contexto (por el momento, la recuperaré más tarde hoy) del documento de SPIE de 2014 con muro de pago Actualizado simulaciones de función de dispersión de puntos para JWST con WebbPSF . Teniendo en cuenta que el espejo primario presenta mucho más "borde de difracción" transversal al frente de onda entrante que las tres paletas del secundario, es posible o incluso probable que la contribución de la araña, incluso con tres paletas, sea pequeña en comparación con la de la segmentación del primario.

De la versión 0.8.0 de la documentación de webbpsf (haga clic para obtener un tamaño más grande)

Fig. 1: PSF de muestra para el conjunto de instrumentos de JWST, todos en la misma escala angular y extensión de pantalla.

Conclusión

En otras palabras, es posible que el uso de una paleta no brinde ninguna ventaja sobre tres paletas, ya que el espejo primario ya está muy segmentado y "nervioso", y ciertamente brinda muchas desventajas mecánicas en términos de rigidez contra la traslación de vibración lateral y ruptura de simetría. durante la expansión térmica!