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De pétalas de espelho a estrelas laser: atingido marco de óptica adaptativa do ELT
6 de Outubro de 2021
O maior espelho adaptativo construído até à data, o espelho M4 do futuro Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, atingiu um marco importante no seu desenvolvimento: os seis segmentos em forma de pétala que compõem o espelho estão terminados.
O M4, o quarto espelho que a radiação colectada pelo telescópio encontra no seu percurso, pode mudar de forma rapidamente de maneira muito precisa e constitui uma parte crucial do sistema de óptica adaptativa do ELT. A radiação emitida por objetos cósmicos é distorcida pela atmosfera do nosso planeta, dando origem a imagens desfocadas. Para corrigir estas distorções, o ELT utilizará hardware e software de óptica adaptativa avançada, alguns dos quais foram desenvolvidos especialmente para este telescópio. Estes sistemas incluem lasers potentes que criam estrelas artificiais de referência no céu — necessárias quando não existem estrelas suficientemente brilhantes perto do objeto em estudo que permitam medições das distorções atmosféricas — e câmaras rápidas e precisas que medem as distorções. Estas medições são seguidamente encaminhadas em tempo real para computadores extremamente rápidos, que calculam as correções na forma do M4 que devem ser aplicadas. Para além da conclusão da construção das pétalas do M4, também estes sistemas atingiram recentemente importantes marcos na sua construção.
Graças ao seu sistema de óptica adaptativa, o ELT do ESO será capaz de fornecer imagens mais nítidas que as que são obtidas atualmente, ou no futuro, no espaço, com telescópios tais como o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e o Telescópio Espacial James Webb.
Entregue a última pétala do espelho adaptativo M4
Com um diâmetro de 2,4 metros, o M4 é o maior espelho deformável alguma vez construído e um dos mais desafiantes componentes do que será o maior telescópio visível e infravermelho do mundo. Este espelho é composto por seis segmentos ultra finos, tendo-se agora terminado de construir os dois últimos.
As seis pétalas do M4 são feitas de Zerodur©, um material vitrocerâmico especial fabricado pela SCHOTT na Alemanha. A companhia francesa Safran Reosc começou a polir as pétalas do M4 em 2017, transformando cada uma das folhas de 35 mm de espessura de Zerodur© num segmento flexível com menos de 2 mm de espessura. Todas as pétalas foram inspeccionadas por engenheiros do ESO antes de serem enviadas à companhia italiana AdOptica, que recebeu a última há apenas alguns meses atrás.
Durante as fases finais de produção, a AdOptica aplicou um revestimento na superfície traseira do espelho e colocou suportes laterais para ligar as pétalas à estrutura mecânica do M4. Adicionalmente, os técnicos da companhia colaram mais de 5000 ímanes na superfície traseira do espelho, os quais serão utilizados para deformar os segmentos flexíveis do M4 umas incríveis 1000 vezes por segundo, atingindo-se assim uma precisão de 50 nanómetros (a milionésia parte do milímetro).
A Safran Reosc está agora a produzir um conjunto idêntico de pétalas, elevando o seu total para 12. Estas pétalas desempenharão o papel de peças sobresselentes e prevê-se que sejam trocadas com as seis originais, quando estas últimas necessitarem de novo revestimento após alguns anos de uso, minimizando deste modo o tempo que o telescópio ficará inoperacional.
Progresso do corpo de referência do M4
Uma vez que as pétalas do M4 são extremamente finas e têm que se deformar com uma precisão extraordinária, é necessária uma estrutura muito estável para as apoiar: um corpo de referência com ímanes que apoiará o espelho e ajustará a sua forma. Esta estrutura de referência foi fabricada pela empresa francesa Mersen em carbeto de silício Boostec®, um dos materiais leves mais rijos que existem, e seguidamente polida pela companhia belga AMOS, que se encontra já na fase final deste processo.
Dar a forma final ao corpo de referência é extremamente difícil. A AMOS tem como objetivo obter uma estrutura plana com uma precisão de 5 microns (a milésima parte do milímetro), o que se torna complicado pelo facto da superfície possuir muitos buracos, os quais são indispensáveis para montar os atuadores do M4.
Assim que o corpo de referência estiver terminado e entregue, a AdOptica dará início ao longo processo de integrar o M4 na sua totalidade: a estrutura composta pelo espelho, o seu corpo de referência e todos os elementos de apoio e ligação. A AdOptica prevê realizar os primeiros testes do espelho M4 completamente integrado no último trimestre de 2022.
Aceite o laser das estrelas guia
Um dos componentes mais visíveis dos sistemas de óptica adaptativa do ELT será o seu “sistema de estrelas guia laser” que será constituído por seis lasers que gerarão estrelas guias artificiais na atmosfera superior. Para medir as distorções causadas pela atmosfera terrestre, o sistema de óptica adaptativa do ELT precisa de estrelas brilhantes perto do objeto em estudo. Uma vez que este tipo de estrelas nem sempre se encontram disponíveis no céu, os sistemas laser do ELT permitirão aos astrónomos criar estrelas artificiais em qualquer parte do céu, ao excitar átomos de sódio existentes na atmosfera a uma altitude de cerca de 90 km.
A primeira fonte de laser do ELT foi fabricada pela empresa alemã TOPTICA Projects em Maio de 2021 e entregue ao ESO, onde passou agora os testes de aceitação.
Progresso das câmaras e computadores ultra rápidos
Outro componente essencial do sistema de óptica adaptativa do ELT são as chamadas câmaras com sensores de frente de onda, que atuam como os “olhos” do telescópio ao captar a luz das estrelas guia. O ELT será equipado com três tipos complementares destas câmaras, cada um com um sensor ou detector de imagem distinto, que será utilizado tanto pelo telescópio propriamente dito como pelos instrumentos científicos.
Estas câmaras são consideradas tão críticas para o funcionamento da óptica adaptativa do ELT que o ESO decidiu fazer a maior parte deste trabalho diretamente no ESO. Dois tipos de câmaras, chamadas ALICE e LISA, foram concebidas pelo ESO, enquanto o terceiro tipo de câmara, FREDA, é uma adaptação de uma câmara comercial (C-RED One) fabricada pela companhia francesa First Light Imaging e modificada pelos engenheiros do ESO para as necessidades do ESO. Adicionalmente, o ESO desenvolveu, em colaboração com a empresa internacional Teledyne, um detector para a LISA, o qual estará pronto para produção no final deste ano. O design e os protótipos das três câmaras deverão estar completos no próximo ano.
Computadores especiais do ELT, chamados computadores de óptica adaptativa em tempo real, utilizarão os sinais captados pelas câmaras para calcular como é que espelhos como o M4 têm que ser deformados de modo a corrigir as distorções causadas pela turbulência da atmosfera da Terra. Um protótipo de um computador desenvolvido no ESO mostrou recentemente que é capaz de receber dados dos sensores das câmaras e transmiti-los aos atuadores que deformam o espelho em apenas algumas centenas de microssegundos.
Apesar de ainda estarmos a alguns anos de ver concluídos os complexos sistemas de óptica adaptativa do ELT, estes avanços recentes mostram que está a ser feito um progresso significativo no sentido de vermos, tal como planeado, a primeira luz científica em 2027. Uma vez operacional, o ELT do ESO irá mudar drasticamente o que sabemos sobre o nosso Universo e far-nos-á repensar o nosso lugar no cosmos.
Links
Contactos
Elise Vernet
Responsible for M4 Unit at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: evernet@eso.org
Steffan Lewis
ELT Optical Control Project Manager at ESO
European Southern Observatory
Garching bei München, Alemanha
Email: slewis@eso.org
Enrico Marchetti
Wave Front Sensor Camera Development Project Manager at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: emarchet@eso.org
Nick Kornweibel
ELT Control System Project Manager at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: nkornwei@eso.org
Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Alemanha
Tel: +49 89 3200 6670
Email: press@eso.org
