El espejo del Hubble no estaba mal pulido, era perfecto con la forma equivocada
El 24 de abril de 1990, el telescopio espacial Hubble sale hacia su órbita a bordo del transbordador Discovery. Dos meses después, el 21 de junio, el jefe de proyecto anuncia un defecto grave en uno de los dos espejos del conjunto óptico, si no en los dos; el 27 de junio, la NASA hace público el problema en una rueda de prensa. Las dos cámaras de alta resolución, la Wide Field/Planetary Camera y la Faint Object Camera, muestran la misma deformación, la aberración esférica, que solo puede venir del espejo primario, del secundario o de ambos.
La versión que ha sobrevivido cabe en cuatro palabras: el espejo estaba mal pulido. El informe de la investigación dice casi lo contrario. El espejo primario se pulió con una precisión excepcional, hasta una forma que no era la buena. El aparato encargado de decir cuál era la forma buena arrastraba un error de separación interna de 1,3 mm, y otros dos aparatos habían señalado el defecto ya en 1981.
El documento de referencia es público: The Hubble Space Telescope Optical Systems Failure Report, noviembre de 1990, con la referencia NASA-TM-103443. La comisión de seis miembros que lo redactó, constituida a principios de julio de 1990 y reunida por primera vez los días 5 y 6 de julio en Washington, estuvo presidida por Lew Allen, entonces director del Jet Propulsion Laboratory.
El espejo mejor pulido de su época
El desbastado del disco de 2,4 m empieza en diciembre de 1978 en Perkin-Elmer, en Wilton (Connecticut). El espejo pasa después a Danbury, donde el pulido termina en abril de 1981. La prueba final, tras depositar la capa reflectante, tiene lugar en febrero de 1982.
El interferograma de esa prueba se reproduce en el informe. Las franjas son rectas. Perkin-Elmer deduce de ellas un error de superficie residual inferior a 0,014 longitudes de onda rms a 632,8 nm, es decir, un defecto de superficie de 0,009 micrómetros rms. Ese análisis, señala el informe, convenció al proyecto de que se habían alcanzado los objetivos de fabricación.
Y se habían alcanzado, en lo que al pulido se refiere. El informe resume el asunto en una frase: la coincidencia estrecha de las franjas indica en realidad una coincidencia muy estrecha con la superficie asférica equivocada. La constante cónica de diseño del espejo primario era de -1,0022985; la que quedó grabada en el vidrio es de -1,013236. La diferencia aparece ya en el tercer decimal, algo más del uno por ciento del valor, y basta para producir aberración esférica de tercer orden.
En términos de rendimiento: un error de frente de onda de 0,4 longitudes de onda rms a 632,8 nm, diez veces la tolerancia especificada. La especificación exigía que el 70 por ciento de la luz de una estrella cayera dentro de un círculo de 0,1 segundos de arco de radio; el telescopio entregaba ese 70 por ciento en un radio de unos 0,7 segundos de arco.
Un solo juez, y nadie que lo juzgara
Para pulir una superficie asférica hace falta una plantilla óptica: un corrector nulo, que da forma al frente de onda de modo que un espejo perfecto devuelva franjas rectas. Al considerar que los correctores nulos refractivos clásicos, hechos solo de lentes, no alcanzarían la precisión requerida, Perkin-Elmer diseñó un corrector nulo reflectivo inédito: dos espejos esféricos y una pequeña lente de campo. El argumento era que la forma de la plantilla se calculaba a partir de las dimensiones de los tres elementos, del material de la lente y de las separaciones, medibles en cualquier momento. Ese dispositivo novedoso figuró entre los factores que le valieron a la empresa el contrato del conjunto óptico.
La condición era que las separaciones fueran correctas con un margen de 10 micrómetros.
No estaba prevista ninguna prueba independiente del espejo: el plan descansaba por completo en ese único corrector, tanto para fabricar la superficie como para verificarla. El informe precisa que la NASA entendió y aceptó ese plan, y que semejante método debería haber alertado sobre la fragilidad del procedimiento y la posibilidad de un error grosero. La filosofía de pruebas insistía mucho en la certificación del aparato; la comisión no encontró ningún documento que acredite que llegara a hacerse.
La tapa desconchada
Las separaciones internas del corrector se ajustaban con tres varillas de Invar, designadas A, B y C, de unos 20, 58 y 41 cm. La medida no se hacía de forma mecánica sino por autorreflexión: se enfocaba un haz sobre el extremo pulido y redondeado de una varilla, y se observaba la figura de interferencia del haz que volvía sobre sí mismo. Centrar el haz en el extremo era determinante. Para evitar que la varilla se desplazara respecto al eje del interferómetro, Perkin-Elmer había añadido unas tapas perforadas con una pequeña abertura central.
La cara superior de esas tapas llevaba un recubrimiento antirreflejo. En la tapa recuperada, ese recubrimiento se había desprendido alrededor de la abertura, al parecer por accidente, dejando una zona especular. Todo indica, escribe la comisión, que el operario obtuvo su reflejo en la tapa y no en el extremo de la varilla. Un ensayo realizado en 1990 con el material original demostró que el error era fácil, e incluso probable, en esa configuración. Desviación: 1,3 mm. La propia comisión lo dice, la causa exacta sigue siendo una reconstrucción: los documentos que habrían permitido reproducir la escena nunca aparecieron, y el escenario aceptado es el que ella misma recreó en el laboratorio.
Tres anomalías acompañan ese ajuste. Al acercar la lente de campo contra el extremo de la varilla B, los tornillos de posicionamiento llegaron al tope; se ganó recorrido insertando calzas entre la lente y la placa de montaje del espejo inferior. Los pernos que sujetaban la cesta de la lente no se frenaron mecánicamente, pese a que ese frenado era un procedimiento especificado. Y el documento que describía la adición de las calzas nunca se archivó, o se perdió en los diez años siguientes; un testimonio menciona una comisión de revisión de material celebrada sobre este punto, de la que no se halló rastro alguno.
El control a posteriori, por su parte, se había vuelto imposible. Para pasar del prototipo de 1,5 m al espejo de 2,4 m hubo que alargar las varillas, y la más larga se había alargado de tal manera que ya solo entraba de una pieza: demasiado larga para introducirse en el corrector una vez montado este con su interferómetro. Verificar esa separación suponía desmontar el aparato. No hubo ninguna nueva medición después del montaje inicial.
En 1990, la comisión midió el corrector, hallado intacto en la cámara de ensayos. Un interferómetro Zygo enviaba un haz colimado a través de la lente de campo, con un espejo plano colocado en el foco, a unos 0,55 m por encima. La lente estaba demasiado lejos del espejo inferior, unos 1,3 mm, valor confirmado con un margen de 0,1 mm mediante una medición mecánica. La dirección y la magnitud de esa desviación, subraya el informe, explican la aberración observada en órbita. Frente a la tolerancia de 10 micrómetros, el error es ciento treinta veces demasiado grande.
Dos aparatos habían dicho la verdad
Perkin-Elmer disponía de otros dos dispositivos. Los dos dijeron la verdad.
El corrector nulo inverso estaba concebido para simular un espejo primario perfecto bajo el corrector reflectivo: con una plantilla correcta, habría dado franjas rectas. El interferograma de febrero de 1981 muestra varias longitudes de onda de aberración esférica, de magnitud comparable a la del telescopio y de signo opuesto. Colocado al principio y al final de cada secuencia de ensayo, servía de control cualitativo de alineación: al parecer, la figura de franjas nunca se analizó a fondo. El defecto se atribuyó al propio corrector inverso, cuyos componentes pasaban por ser muy sensibles a la alineación. La comisión estableció que era preciso a mejor de 0,14 longitudes de onda, de sobra para detectar un error grosero, y que en efecto lo había detectado.
El corrector nulo refractivo servía, por su parte, para medir el radio en el vértice del espejo acabado. Su interferograma de mayo de 1981 muestra franjas curvas. Reanalizadas en 1990 por varios observadores, arrojan 0,4 longitudes de onda rms de aberración esférica de tercer orden a 632,8 nm, un valor que se corresponde, con un grado de certeza que el informe considera razonable, con el defecto medido en vuelo. El dato se descartó alegando que ese aparato pasaba por ser menos preciso que el corrector reflectivo. La comisión comprobó que era preciso a mejor de 0,02 longitudes de onda rms.
El 22 de julio de 1990, la comisión repitió un interferograma con el corrector inverso montado y lo comparó con una imagen del 22 de junio de 1982 hallada en el cuaderno de un empleado de Perkin-Elmer: las dos figuras son prácticamente idénticas.
El informe señala, por último, una tercera ocasión perdida. El espejo se había desbastado y pulido hasta cerca de una longitud de onda rms en Wilton, bajo el control del corrector refractivo, antes de partir hacia Danbury para el pulido final bajo el corrector reflectivo. En el momento del traslado se compararon los interferogramas de ambos aparatos y la divergencia podría haberse detectado. Los datos y las circunstancias de ese traslado siguen siendo confusos, señala la comisión, y los requisitos de paso parecían cumplidos.
Lo que borra la fórmula "espejo mal pulido"
El informe no describe un fallo aislado sino una organización que lo hizo indetectable. La división de operaciones ópticas de Perkin-Elmer había impuesto sus propias restricciones de acceso a la zona de metrología de Danbury donde se montaba el corrector: puerta con cerradura de código, entrada reservada a los ingenieros de metrología llegados de Wilton. El personal de calidad, tanto el de la NASA como el de Perkin-Elmer, no supo que allí se montaba el corrector y descubrió su existencia una vez trasladado el conjunto a la cámara de ensayos. No se abrió ningún expediente de fabricación sobre esa actividad. Y de 1981 a principios de 1982, el programa acumulaba crisis: coste del contrato multiplicado varias veces, calendario muy retrasado, amenaza de cancelación.
La versión popular ganó porque es transportable. "El espejo se fabricó con la forma equivocada" es una frase del propio informe, y viaja sin su porqué. La cadena real, un recubrimiento desconchado, un reflejo tomado en el sitio equivocado, una lente calzada 1,3 mm demasiado lejos, un plan de pruebas con un solo juez y dos contramedidas descartadas, no cabe en una leyenda.
La reparación, en cambio, se deduce del diagnóstico. La comisión prohibió cualquier manipulación que pudiera perturbar los correctores nulos, porque constituían, escribe, el único vínculo directo que permitía determinar la forma real del espejo en órbita, dato necesario para calcular una prescripción óptica de corrección. El instrumento culpable, conservado intacto, se convirtió así en una pieza de la medición. Del 2 de diciembre de 1993 a las 4:27 al 13 de diciembre a las 0:25, hora del Este, la misión STS-61 del transbordador Endeavour llevó a cabo cinco paseos espaciales: el tercero sustituyó la Wide Field/Planetary Camera por la WFPC2, y el cuarto sustituyó el fotómetro de alta velocidad por COSTAR, que redirigía la luz hacia tres de los cuatro instrumentos restantes. El espejo, en cambio, sigue teniendo su constante cónica equivocada.