補正光学系宇宙望遠鏡軸交換

補正光学宇宙望遠鏡軸交換装置（COSTAR）は、NASAによって設計・構築された光学補正装置である。ハッブル宇宙望遠鏡の主鏡の球面収差を補正するために作られた。この収差は、微光天体カメラ（FOC）、微光天体分光器（FOS）、ゴダード高分解能分光器（GHRS）の装置に光を誤って焦点を合わせる原因となった。^[1]

1993年12月2日の整備ミッションSTS-61でシャトルで望遠鏡まで運ばれ、11日間かけて正常に設置されました。

1990 年に、打ち上げられたばかりのハッブル宇宙望遠鏡(HST)の主鏡が間違った形に研磨されていたために欠陥があることが判明すると、NASA のエンジニアたちはその問題を解決するために大きなプレッシャーにさらされました。鏡の誤った形は、深刻な球面収差(鏡の端で反射した光が、鏡の中心で反射した光とは異なる点に焦点を合わせる欠陥) を引き起こしました。この欠陥が科学的観測に与える影響は、特定の観測に依存していました。収差のある点像分布関数の中心は 、明るい物体の高解像度の観測を可能にするほど鋭く、点光源の分光法は感度の低下によってのみ影響を受けました。しかし、焦点が合っていない大きなハローへの光の損失は、暗い物体や高コントラストの画像化に対する望遠鏡の有用性を大幅に低下させました。これは、非常に暗い物体の観測を必要とするほぼすべての宇宙論プログラムが実質的に不可能であることを意味しました。^[2]

打ち上げられたとき、HST には 5 つの科学機器が搭載されていました。広視野惑星カメラ(WFPC)、ゴダード高解像度分光器(GHRS)、高速光度計(HSP)、微光天体カメラ(FOC)、微光天体分光器(FOS) です。HST を修理のために地球に持ち帰るのは困難すぎるため、技術者たちは、宇宙飛行士を望遠鏡の光学筒の中に送り込んで望遠鏡の副鏡を交換することから、筒の開口部の周囲に円形のシェードを設置して口径を小さくし、主鏡の外側の領域を遮って焦点を改善することまで、あらゆる方法を検討しました。^[3] 最終的には、HST がまだ軌道上にある間に、WFPC を、補正光学系を組み込んだ改良された広視野惑星カメラ 2に交換できると判断されました。 ^[3]これにより、残りの機器についてはまだ解決策が残されました。1 つの可能性のあるオプションは、主鏡と副反射鏡の間の望遠鏡筒に補正光学系、レンズ、またはミラーを挿入することでした。しかし、チューブは小柄な宇宙飛行士でも通るには狭すぎたため、必要な補正部品をチューブ内に挿入する手段が模索されました。^[4]

欧州宇宙機関の緊急会議がドイツで開催され、HST の問題について議論されました。出席者の中には、ボール エアロスペース社の上級光学エンジニアである James H. Crocker 氏がいました。ある朝、ドイツのホテルでシャワーを浴びていたとき、彼はシャワーヘッドが垂直のロッド上を移動し、さまざまな高さと角度でロッドに固定できることに気付きました。メイドはシャワーヘッドをロッドの根元に置き、壁にぴったりと寄せて置いていたため、Crocker 氏がクランプを緩めて希望の位置に移動させるまで、シャワーヘッドはほとんど場所を取りませんでした。彼は、必要な補正部品をそのような装置に取り付けてチューブに挿入し、ロボット アームで必要な位置まで展開して副鏡からの光線を遮り、補正してからさまざまな科学機器に焦点を合わせることができるというアイデアを思いつきました。^[4] アメリカに戻ると、彼は自分のアイデアを説明し、それはすぐに他のエンジニアによって取り上げられ、1990年までに補正光学宇宙望遠鏡軸交換装置、またはCOSTARの開発が始まりました。COSTARの予算コストは​​5000万ドルでした。^[5] COSTARシステムを望遠鏡に取り付けるために、他の機器の1つを取り外す必要があり、天文学者は4つの軸検出器の中で最も重要性の低い高速光度計を犠牲にすることを選択しました。^[2]

電話ボックスほどの大きさの最終設計は、伸縮式タワーから水平方向に放射状に広がる小さな補正ミラーで構成されていました。各計器の開口部には、M ₁と M _{2 の}2 つのミラーがあります。光路内にある M ₁はフィールドミラーとして機能し、単純な球体です。一方、球面収差の補正は、完全な形状ではなく、入射光を不均一に反射する M ₂によって行われます。ただし、偏差は、メインミラーの偏差と正確に逆になるように計算されています。したがって、2 つのミラーで反射および補正された後、光は正しい形に戻ります。この配置の利点は、補正されたフィールドにコマがないことです。^{[6] [7]}微光物体カメラと微光物体分光器には、2 つの測定チャネルごとに 2 つの開口部があったのに対し、ゴダード高解像度分光器には、両方のチャネルに対して 1 つの開口部しかありませんでしたので、直径が約 18 ～ 24 mm の補正ミラーが合計 10 個使用されました。^[5]望遠鏡筒の端に取り付けられた上記の機器の光線が、望遠鏡筒の片側に取り付けられた新しいWFPC2の光線に当たらないようにする必要があったため、設計は複雑になりました。^[4]

1991 年 1 月、ボール エアロスペース社は NASA から COSTAR の開発、製造、検証の全体を引き受ける元請け業者に選ばれ、このプロセスには 26 か月かかりました。^[5] 必要な補正を計算するために、1 つのチームが主鏡の製造に使用された現場のツールを調べて既存のエラーを計算し、もう 1 つの独立したチームがハッブルが送信した歪んだ画像を使用して計算しました。両方のチームの測定結果は実質的に同じでした。その後に製造された補正ミラーは、2 つの独立したチームによってエラーがチェックされました。完了すると、COSTAR 全体が COSTAR アライメント システム (CAS) でテストされました。CAS のエラーをチェックするために、COSTAR は特別に開発されたハッブル オプトメカニカル シミュレーター (HOMS) に取り付けられ、故障した主鏡のエラーがシミュレートされ、エンドツーエンドのテストと出力画像の検証が可能になりました。HOMS システムも、2 つの独立したグループ (1 つはボール エアロスペース、もう 1 つはゴダード宇宙飛行センター) によって、異なるテスト機器を使用してテストされました。欧州宇宙機関も微光天体カメラのエンジニアリングモデルを提供し、追加検証を行うことで検証プロセスに貢献した。^[5]

COSTARは1993年の最初のハッブル宇宙望遠鏡修理ミッション中に高速光度計に取って代わりました。^[8]元のWFPCは同じミッション中にWFPC 2に置き換えられました。^[4]

1993年12月28日、宇宙望遠鏡科学研究所はロボットアームに鏡を所定の位置に展開するよう指示した。得られた画像により、COSTARが主鏡の球面収差を補正したことが確認された。^[7]

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  最初の整備ミッション中にハッブル宇宙望遠鏡に挿入される COSTAR。
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  宇宙飛行士は、サービスミッション 1 中にハッブルの補正光学系の取り付けに取り組んでいます。
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  COSTAR の動作機構のクローズアップ。ミラーは COSTAR の左側のボディから伸びています。

HSTの初期展開後に搭載された機器は、独自の補正光学系を備えて設計された。COSTARは2009年の第5回整備ミッション中にHSTから取り外され、宇宙起源分光器に置き換えられた。現在はワシントンDCのスミソニアン国立航空宇宙博物館に展示されている。 ^{[9] [3]}

ウィキメディア・コモンズには、 Corrective Optics Space Telescope Axial Replacementに関連するメディアがあります。

• 補正光学宇宙望遠鏡軸交換（Costar）
• 国立航空宇宙博物館の COSTAR 光学系の写真