استبدال العدسات التصحيحية المحورية لتلسكوب الفضاء

جهاز تصحيح البصريات المحورية لتلسكوب الفضاء ( COSTAR ) هو أداة تصحيح بصري صممتها وبنتها وكالة ناسا . وقد صُمم لتصحيح الانحراف الكروي للمرآة الرئيسية لتلسكوب هابل الفضائي ، والذي كان يُركز الضوء بشكل غير صحيح على كاميرا الأجسام الخافتة (FOC) ومطياف الأجسام الخافتة (FOS) ومطياف غودارد عالي الدقة (GHRS). ^{[ 1 ]}

تم نقلها عبر مكوك فضائي إلى التلسكوب في مهمة الصيانة STS-61 ، في 2 ديسمبر 1993، وتم تركيبها بنجاح على مدى أحد عشر يومًا.

بعد اكتشاف عيب في المرآة الرئيسية لتلسكوب هابل الفضائي (HST) الذي أُطلق حديثًا عام 1990، نتيجةً لتصنيعها بشكل خاطئ، تعرّض مهندسو ناسا لضغوط هائلة لإصلاح المشكلة. فقد تسبب الشكل غير الصحيح للمرآة في انحراف كروي حاد ، وهو عيبٌ يتركز فيه الضوء المنعكس عن حافة المرآة في نقطة مختلفة عن تلك التي يتركز فيها الضوء المنعكس عن مركزها. وتفاوت تأثير هذا العيب على الرصد العلمي تبعًا لنوع الرصد؛ إذ كان مركز دالة انتشار النقطة المنحرفة حادًا بما يكفي للسماح برصد الأجسام الساطعة بدقة عالية، بينما لم يتأثر التحليل الطيفي للمصادر النقطية إلا بفقدان الحساسية. مع ذلك، أدى فقدان الضوء بسبب الهالة الكبيرة غير المركزة إلى تقليل فائدة التلسكوب بشكل كبير في رصد الأجسام الخافتة أو التصوير عالي التباين. وهذا يعني أن جميع البرامج الكونية تقريبًا أصبحت مستحيلة، لأنها تتطلب رصد أجسام خافتة للغاية. ^{[ 2 ]}

عند إطلاقه، حمل تلسكوب هابل الفضائي خمسة أجهزة علمية: كاميرا المجال الواسع والكواكب (WFPC)، ومطياف غودارد عالي الدقة (GHRS)، ومقياس الضوء عالي السرعة (HSP)، وكاميرا الأجسام الخافتة (FOC)، ومطياف الأجسام الخافتة (FOS). ونظرًا لصعوبة إعادة التلسكوب إلى الأرض لإجراء الإصلاحات، درس المهندسون جميع الخيارات، بدءًا من استبدال المرآة الثانوية للتلسكوب بإرسال رائد فضاء يقوم بمهمة سير في الفضاء داخل الأنبوب البصري، وصولًا إلى تركيب غطاء دائري حول فتحة الأنبوب، مما يقلل من قطرها ويحسن التركيز عن طريق حجب المناطق الخارجية للمرآة الرئيسية. ^{[ 3 ]} وفي النهاية، تقرر أنه مع بقاء التلسكوب في مداره، يمكن استبدال كاميرا المجال الواسع والكواكب (WFPC) بكاميرا المجال الواسع والكواكب 2 المحسّنة ، والتي ستتضمن بصريات تصحيحية. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، بقي البحث جاريًا عن حلول للأجهزة المتبقية. وكان أحد الخيارات المحتملة هو إدخال بصريات تصحيحية، أو عدسات، أو مرايا داخل أنبوب التلسكوب بين المرآة الرئيسية والعاكس الثانوي. إلا أن الأنبوب كان ضيقاً جداً بحيث لا يستطيع حتى أصغر رواد الفضاء الانزلاق داخله، مما أدى إلى البحث عن وسيلة لإدخال المكونات التصحيحية المطلوبة في الأنبوب. ^{[ 4 ]}

عُقد اجتماع طارئ لوكالة الفضاء الأوروبية في ألمانيا لمناقشة مشاكل تلسكوب هابل الفضائي. وكان من بين الحضور جيمس إتش. كروكر، كبير مهندسي البصريات في شركة بال إيروسبيس. وبينما كان يستحم في فندقه الألماني صباح أحد الأيام، لاحظ أن رأس الدش يتحرك على قضيب رأسي، ويمكن تثبيته على هذا القضيب بارتفاعات وزوايا مختلفة. تركت عاملة النظافة رأس الدش عند قاعدة القضيب، مُثبتاً بشكل مسطح على الحائط، مما يعني أنه لم يكن يشغل مساحة كبيرة حتى قام كروكر بفك المشبك ونقله إلى الموضع المطلوب. خطرت له فكرة تركيب المكونات التصحيحية اللازمة على جهاز يسمح بإدخالها في الأنبوب قبل فردها بواسطة أذرع آلية إلى الموضع المطلوب لاعتراض أشعة الضوء من المرآة الثانوية، وتصحيحها، ثم تركيزها على مختلف الأجهزة العلمية. ^{[ 4 ]} وبمجرد عودته إلى أمريكا، شرح فكرته، التي لاقت استحسانًا فوريًا من مهندسين آخرين، الذين بدأوا بتطوير ما أصبح بحلول عام 1990 نظام استبدال المحور البصري التصحيحي لتلسكوب الفضاء، أو اختصارًا COSTAR. بلغت التكلفة التقديرية لنظام COSTAR خمسين مليون دولار أمريكي. ^{[ 5 ]} ولتركيب نظام COSTAR على التلسكوب، كان لا بد من إزالة أحد الأجهزة الأخرى، فاختار علماء الفلك مقياس الضوء عالي السرعة للتضحية به، كونه الأقل أهمية من بين أجهزة الكشف المحورية الأربعة. ^{[ 2 ]}

يتألف التصميم النهائي، الذي يُضاهي حجمه حجم كابينة الهاتف، من مرايا تصحيح صغيرة تشع أفقيًا من برج قابل للتمديد. يحتوي كل جهاز على مرآتين، M1 وM2، لفتحة العدسة _. تعمل _M1 ، _{الواقعة} في مسار الضوء، كمرآة مجال وهي عبارة عن كرة بسيطة، بينما يتم تصحيح الزيغ الكروي بواسطة M2، _وهي ليست مثالية الشكل وتعكس الضوء الساقط بشكل غير متساوٍ. مع ذلك، حُسبت الانحرافات بحيث تكون معاكسة تمامًا لانحرافات المرآة الرئيسية. وبالتالي، بعد انعكاس الضوء وتصحيحه بواسطة المرآتين، يعود إلى شكله الصحيح. يتميز هذا الترتيب بأن المجال المصحح خالٍ من الزيغ الكروي. ^{[ 6 ] [ 7 ]}  استُخدم ما مجموعه عشر مرايا تصحيح بأقطار تتراوح بين 18 و24 ملم تقريبًا، حيث احتوت كاميرا الأجسام الخافتة ومطياف الأجسام الخافتة على فتحتين لكل قناة من قناتي القياس، بينما احتوى مطياف غودارد عالي الدقة على فتحة واحدة فقط لكلتا قناتي القياس. ^{[ 5 ]} وقد تعقد التصميم بسبب ضرورة ضمان عدم تداخل أشعة الضوء الصادرة من الأجهزة المذكورة أعلاه، والمثبتة في نهاية أنبوب التلسكوب، مع أشعة كاميرا WFPC 2 الجديدة، المثبتة على أحد جانبي أنبوب التلسكوب. ^{[ 4 ]}

في يناير 1991، اختارت وكالة ناسا شركة Ball Aerospace Corp. كمقاول رئيسي لتنفيذ عملية تطوير وإنتاج والتحقق من نظام COSTAR بالكامل، وهي عملية استغرقت 26 شهرًا. ^{[ 5 ]} لحساب التصحيحات المطلوبة، قام فريق بحساب الخطأ الحالي من خلال فحص الأدوات المستخدمة في تصنيع المرآة الرئيسية، بينما قام فريق مستقل آخر بحسابه باستخدام الصور المشوهة التي أرسلها تلسكوب هابل. توصل الفريقان إلى نتائج قياس متطابقة عمليًا. بعد ذلك، تم فحص مرايا التصحيح المنتجة بحثًا عن الأخطاء من قبل فريقين مستقلين. بمجرد اكتمال النظام، تم اختبار نظام COSTAR بالكامل في نظام محاذاة COSTAR (CAS). للتحقق من أي خطأ في نظام CAS، تم تركيب نظام COSTAR في جهاز محاكاة هابل الكهروضوئي الميكانيكي (HOMS) المصمم خصيصًا، والذي يحاكي الأخطاء في المرآة الرئيسية المعيبة، مما يسمح بإجراء اختبار شامل وبالتالي التحقق من الصورة الناتجة. كما تم اختبار نظام HOMS من قبل مجموعتين مستقلتين (إحداهما من شركة Ball Aerospace والأخرى من مركز غودارد لرحلات الفضاء) باستخدام أدوات اختبار مختلفة. كما ساهمت وكالة الفضاء الأوروبية في عملية التحقق من خلال توفير نموذج هندسي لكاميرا الأجسام الخافتة لتوفير مزيد من التحقق. ^{[ 5 ]}

استُبدل جهاز COSTAR بمقياس الضوء عالي السرعة خلال أول مهمة صيانة لتلسكوب هابل عام 1993. ^{[ 8 ]} كما استُبدل جهاز WFPC الأصلي بجهاز WFPC 2 خلال المهمة نفسها. ^{[ 4 ]}

في 28 ديسمبر 1993، تلقى ذراع كندا تعليمات من معهد علوم تلسكوب الفضاء لنشر المرايا في موضعها. وأكدت الصور الناتجة أن نظام COSTAR قد صحح الانحراف الكروي في المرآة الرئيسية. ^{[ 7 ]}

• 
  يتم إدخال مركبة COSTAR في تلسكوب هابل خلال مهمة الصيانة الأولى.
• 
  رواد الفضاء يعملون على تركيب العدسات التصحيحية لتلسكوب هابل خلال مهمة الصيانة رقم 1.
• 
  صورة مقرّبة لآلية عمل كاميرا كوستر. تمتد المرايا من جسم كاميرا كوستر على اليسار.

صُممت الأجهزة اللاحقة، التي تم تركيبها بعد الإطلاق الأولي لتلسكوب هابل الفضائي، ببصريات تصحيحية خاصة بها. أُزيل جهاز COSTAR من تلسكوب هابل الفضائي عام ٢٠٠٩ خلال مهمة الصيانة الخامسة ، واستُبدل بجهاز مطياف الأصول الكونية . وهو معروض الآن في المتحف الوطني للطيران والفضاء التابع لمؤسسة سميثسونيان في واشنطن العاصمة. ^{[ ٩ ] [ ٣ ]}

• استبدال المحور البصري التصحيحي لتلسكوب الفضاء (كوستار)
• صور من المتحف الوطني للطيران والفضاء لبصريات COSTAR