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De pétalos de espejos a estrellas láser: Metas alcanzadas de la óptica adaptativa del ELT
6 de Octubre de 2021
El espejo adaptativo más grande jamás construido, el espejo M4 para el próximo Extremely Large Telescope (ELT) de ESO, ha alcanzado una importante meta en su desarrollo: los seis segmentos en forma de pétalos que conforman el espejo ahora están completos.
M4, el cuarto espejo en el camino de luz del telescopio, puede cambiar su forma de manera rápida y muy precisa, y es una pieza clave del sistema de óptica adaptativa del ELT. La luz de los objetos cósmicos es distorsionada por la atmósfera de nuestro planeta, produciendo imágenes borrosas. Para corregir estas distorsiones, el ELT utilizará hardware y software avanzado de óptica adaptativa, algunos de los cuales han sido especialmente desarrollados para el telescopio. Esto incluye poderosos láseres que crean estrellas de referencia artificiales cuando no hay estrellas lo suficientemente brillantes cerca del objeto de interés, con el fin de permitir mediciones de las distorsiones atmosféricas, y cámaras sensoras rápidas y precisas que miden estas distorsiones. Luego, las mediciones son traspasadas a computadoras en tiempo real extremadamente rápidas que pueden calcular las correcciones de forma necesarias para ser aplicadas al M4. Sumado a la finalización de los pétalos del M4, recientemente, todos estos sistemas también han alcanzado importantes metas.
Gracias a su sistema de óptica adaptativa, el ELT de ESO entregará imágenes más nítidas que las tomadas por los actuales y futuros telescopios en el espacio, como el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA y el Telescopio Espacial James Webb.
Entrega del pétalo final del espejo adaptativo M4
Con un diámetro de 2,4 metros, el M4 es el espejo deformable más grande jamás construido, y uno de los componentes más desafiantes y emocionantes de lo que será el telescopio visible e infrarrojo más grande del mundo. Está hecho de seis segmentos ultra delgados, de los cuales los dos últimos han sido terminados.
Los seis pétalos del M4 están hechos de Zeroduc©, un material de vidrio cerámico especial fabricado por SCHOTT en Alemania. La compañía francesa Safran Reosc comenzó a pulir los pétalos del M4 en 2017, convirtiendo cada lámina de Zeroduc© de 35 mm de espesor en un segmento flexible de menos de 2 mm de espesor. Todos los pétalos fueron revisados por ingenieros de ESO antes de ser enviados a la compañía italiana AdOptica, la cual recibió el pétalo final hace apenas unos meses.
Durante las etapas de producción final, AdOptica aplicó un revestimiento a la superficie trasera del espejo e implementó soportes laterales para conectar los pétalos a la estructura mecánica del M4. Adicionalmente, los técnicos de las compañías pegaron más de 5.000 imanes a la superficie trasera del espejo, la cual juega un rol en la deformación de los segmentos flexibles del M4, haciendo ajustes 1.000 veces por segundo a una precisión de 50 nanómetros – tan pequeño como el más diminuto de los virus.
Hoy Safran Reosc trabaja para producir un conjunto idéntico de pétalos, llegando a un número total de 12. Estos funcionarán como repuestos y serán intercambiados con los seis pétalos originales cuando estos requieran un recubrimiento después de algunos años de uso, minimizando la interrupción del tiempo de observación del telescopio.
Cuerpo de referencia del M4 en progreso
Dado que los pétalos del M4 son tan delgados y necesitan ser deformados con una precisión increíble, estos requieren de una estructura muy estable que los soporte: un cuerpo de referencia con imanes que soporten el espejo y ajusten su forma. Esta estructura de referencia es fabricada por la compañía francesa Mersen a partir de carburo de silicio Boostec®, uno de los materiales livianos más rígidos disponibles, y luego es pulido por la compañía belga AMOS, quienes se encuentran en las etapas finales de este proceso.
Lograr que el cuerpo de referencia llegue a su etapa final es extremadamente desafiante. AMOS pretende que la estructura se aplane a una precisión de 5 micrones, lo cual ha sido difícil dado que su superficie tiene demasiados agujeros para encajar en los actuadores del M4.
Una vez que el cuerpo de referencia esté terminado y entregado, AdOptica puede comenzar con el largo proceso de integrar completamente la unidad M4, la estructura que compone el espejo, su cuerpo de referencia y todos los elementos de soporte y conexión. Se espera que AdOptica realice las primeras pruebas en el espejo M4 completamente integrado en el último trimestre de 2022.
Estrella guía láser aceptada
Uno de los componentes más visibles del sistema de óptica adaptativa del ELT será su “sistema de estrella guía láser”, el cual consiste de 6 láseres que generan estrellas guía artificiales en la atmósfera superior. Para medir las distorsiones ocasionadas por la atmósfera de la Tierra, el sistema de óptica adaptativa del ELT requiere de estrellas brillantes cercanas al objeto de estudio. Dado que estas estrellas no siempre están ubicadas en lugares convenientes, los sistemas láser del ELT permitirán a los astrónomos crear estrellas artificiales en cualquier parte del cielo que se necesite, excitando los átomos de sodio ubicados a 90 kilómetros de altitud en la atmósfera.
La primera fuente láser para el ELT de ESO fue terminada por la empresa alemana TOPTICA Projects en mayo de 2021, y fue entregada a ESO donde ya ha completado las pruebas de aceptación.
Progreso en cámaras sensoras y computadores ultra rápidos
Otro componente esencial del sistema de óptica adaptativa del ELT de ESO son las llamadas cámaras sensoras de frentes de onda, las cuales actúan como los “ojos” del telescopio detectando la luz de las estrellas guía. El ELT de ESO estará equipado con tres tipos complementarios de cámaras sensoras de frentes de onda, cada uno con un sensor o detector de imagen diferente, los cuales serán usados tanto por el mismo telescopio como por los instrumentos científicos.
Estas cámaras son tan fundamentales para el funcionamiento de la óptica adaptativa del ELT que ESO ha decidido realizar la mayor parte del trabajo de manera interna. Dos tipos de cámaras, conocidas como ALICE y LISA, son diseñadas en ESO, mientras que el tercer tipo de cámara, FREDA, es una adaptación de una cámara disponible en el mercado (C-RED One) fabricada por la empresa francesa First Light Imaging y modificada a los estándares del ELT por los ingenieros de ESO. Además, ESO ha desarrollado, en colaboración con la empresa internacional Teledyne, el detector para LISA, el cual estará listo para su producción a finales de este año. El diseño y las actividades de prototipo para las tres cámaras debiesen estar completas el próximo año.
Computadores especiales en el ELT, conocidos como computadores de óptica adaptativa en tiempo real, utilizarán las señales de las cámaras para calcular cómo los espejos como el M4 necesitan ser deformados para corregir las distorsiones causadas por la turbulencia en la atmósfera de la Tierra. Recientemente, un computador prototipo desarrollado en ESO ha demostrado que puede recibir información de cámaras sensoras y transmitirla a los actuadores que deforman el espejo en apenas unos pocos cientos de microsegundos.
Aunque todavía estamos a algunos años de ver los complejos sistemas de óptica adaptativa del ELT finalizados, estos recientes avances muestran que se está logrando un progreso importante hacia el primer conjunto científico de luz para el año 2027. Una vez que esté operativo, el ELT de ESO cambiará radicalmente lo que conocemos sobre nuestro universo y nos hará repensar nuestro lugar en el cosmos.
Enlaces
Contactos
Elise Vernet
Responsible for M4 Unit at ESO
Garching bei München, Germany
Email: evernet@eso.org
Steffan Lewis
ELT Optical Control Project Manager at ESO
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Email: slewis@eso.org
Enrico Marchetti
Wave Front Sensor Camera Development Project Manager at ESO
Garching bei München, Germany
Email: emarchet@eso.org
Nick Kornweibel
ELT Control System Project Manager at ESO
Garching bei München, Germany
Email: nkornwei@eso.org
Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Email: press@eso.org
Francisco Rodríguez
ESO Chile Press Officer
Santiago, Chile
Tel: +56 2 24633151
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