viernes, 17 de agosto de 2018

Los grandes observatorios que vienen: el TMT

El TMT, o Thirty Meter Telescope formará parte del elenco de telescopios gigantes que empezarán a operar a lo largo de la próxima década en el mundo. Ciertamente, no se rompieron mucho la cabeza a la hora de elegir un nombre para este leviatán de 30m de diámetro. 

Aún sin llegar a las colosales dimensiones del gigantesco E-ELT (39m de diámetro), 30m de diámetro dan mucho, pero que mucho juego. Como podrán imaginar no es viable construir un espejo monolítico de ese tamaño (ya lo vimos en el post sobre el telescopio GMT), por lo que se ha optado por la solución de usar espejos segmentados de 1'44m de diámetro.

Consorcio Internacional.

Con un presupuesto de más de 900 millones de dólares, el TMT está participado por un consorcio internacional en el que se incluyen a gobiernos y diversas instituciones de investigación. China, India y Japón son los principales contribuyentes de este proyecto. También participan Canadá, el Caltech junto con la Universidad de California y la fundación AURA (Association of Universities for Research in Astronomy) que engloba a más de 40 instituciones de investigación. Asimismo, la fundación Gordon&Betty Moore (creada por uno de los fundadores de Intel y autor de la famosa ley de Moore) aporta fondos para la construcción.

Aspecto que lucirá el Thirty Meter Telescope una vez haya finalizado su construcción. Fuente: TMT

Estructura.

El conjunto de la estructura que sostendrá y moverá al telescopio junto con los espejos e instrumentación superará las 1400 toneladas de peso. No es poca cosa, pero resulta necesaria para manejar un espejo de estas dimensiones y peso. Esta enorme estructura se elevará hasta los 50m de altura y también albergará los instrumentos científicos en 2 plataformas. Estas plataformas, llamadas Nasmyth, se encuentran situadas a ambos lados del espejo terciario a unos 16m de altura y tienen capacidad para soportar hasta 50 toneladas.

Este magnífico renderizado muestra la estructura interna del TMT. Las plataformas Nasmyth ubicadas a cada lado albergarán la instrumentación. Fuente: TMT/M3 Engineering


Posiblemente el elemento más reconocible de este gigante sea el enorme 'ojo' de la cúpula. Mientras que los grandes telescopios suelen usar un sistema de puertas en las cúpulas para proteger el equipamiento interior, el TMT usará un ingenioso mecanismo que abrirá sólo la porción de la cúpula necesaria para que entre la luz al espejo primario. Este diseño ahorrará peso a la cubierta y por tanto, abaratará los costes de construcción.

Aspecto de la cúpula exterior, con el 'ojo' abierto. Fuente: TMT

La cúpula del telescopio es una envoltura esférica de más de 60 metros de diámetro. Está diseñada para aguantar vientos de hasta 280 km/h, una carga de hielo de hasta 76 mm de espesor o 150 kg/m2 de nieve.

Espejo principal

Nada menos que 492 segmentos harán falta para constituir el espejo primario de este gigantesco ojo, con lo que su superficie alcanzará los 655 m2 (casi nada). El peso total del espejo principal será de más de 120 toneladas. En 2013 comenzó la fabricación de estos espejos en Japón y se espera que en 72 meses estén terminados. Cada uno de los espejos tendrá 3 actuadores en su parte inferior, por lo que podrán variar ligeramente su forma cuando se mueva el telescopio. De ese modo se conseguirá que el conjunto opere como un único espejo, independientemente de la posición que adopte.


 Distribución de los segmentos por sectores. 82 espejos diferentes de 1,44m conformarán cada uno de los 6 sectores en los que se ha dividido el espejo principal hasta llegar a los 492 espejos en total. La separación entre cada uno de ellos será de tan sólo 2,5mm. Fuente: TMT

Aspecto de los espejos principal y terciario, una vez montados. Fuente: TMT

Esquema mecánico de cada segmento del espejo primario. En total habrán 1476 actuadores (para cambiar la forma a los segmentos si es necesario) y 2772 sensores. Fuente: Caltech


Proceso de fabricación de uno de los 492 segmentos que formarán el espejo principal del TMT. Cada uno pesa 185 kg, tiene un diámetro de 1,52 metros y un espesor de 46,1 mm. Los 574 segmentos se fabricarán en el país del Sol Naciente, luego se repartirán entre los socios del proyecto para su pulido y corte final. Fuente: OHARA Inc.

El material usado es CLEARCERAM®-Z, un compuesto de SiO2-Al2O3-Li2O, con muy bajo coeficiente de dilatación térmica y una gran resistencia. Para fabricar cada uno de los espejos, el material se funde en un horno circular como el de la imagen anterior a una temperatura entre 1300ºC y 1700ºC. Los distintos componentes de la mezcla se añaden cuidadosamente, y también se controla con mucho mimo la velocidad de vertido del material fundido en los moldes. Cuando ya ha cristalizado el compuesto, se pule para darle la forma deseada, en función de su ubicación final.

Fase de pulido de uno de los espejos (aún no se ha aluminizado) en las instalaciones de Canon. Fuente: Canon Inc.

Precisamente el trabajo más complicado es este, debido a que hay que darle la forma exacta a cada uno de los espejos para que funcionen como uno solo una vez esté finalizado el telescopio. Esto requiere unos márgenes de precisión muy exigentes. Además, otros 82 espejos serán construidos y almacenados junto al telescopio para sustituir a los que requieran mantenimiento y/o realuminizado (se estima que cada 2 años, aproximadamente).

Planta de almacenamiento de los espejos que se han fabricado en Ohara, Japón. El corte para darle forma hexagonal se hará posteriormente al pulido y antes de añadirle la capa de aluminio reflectante. Fuente: NAOJ/OHARA

Espejos secundario y terciario.

El espejo secundario (M2) será del tipo hiperboloide esférico y estará ubicado en lo alto de la estructura del telescopio. Tendrá un diámetro de 3,1m. Fuente: TMT

El soporte del espejo secundario es pieza fundamental del sistema de óptica adaptativa. Ha de ser ligero y resistente, a fin de poder moverse a gran velocidad para corregir los efectos de las turbulencias atmosféricas. Fuente: TMT


El espejo terciario (M3), con forma de elipse y dimensiones de 3,6m por 2,5m será el responsable de enviar la luz del Universo a cada uno de los instrumentos científicos que se instalarán en el telescopio. Fuente: TMT

Sistema de óptica adaptativa.

Hasta 9 láseres de 25W con una longitud de onda de 589 nm (correspondiente al Sodio) proyectarán una estrella 'virtual' en el cielo, al excitar los átomos de Na que se encuentran en las capas superiores de la atmósfera, a unos 90 km de altura. El sistema de óptica adaptativa analizará cómo las turbulencias deforman esta estrella y moverán el espejo secundario para corregir este error y de este modo conseguir imágenes más nítidas al eliminar buena parte de los efectos de las turbulencias atmosféricas.

Se espera que consiga imágenes hasta 12 veces más definidas que el telescopio espacial Hubble. Fuente: TMT

Una imagen vale más que mil palabras. Neptuno visto por otro observatorio, el VLT, antes y después de usar óptica adaptativa. Fuente: ESO/P. Weilbacher (AIP)

Instrumentación.

La potencia sin control no sirve de nada, decía un conocido eslogan publicitario años atrás. Obviamente, el TMT no será una excepción. Para poder sacar partido de la descomunal superficie colectora de luz de este telescopio, hace falta que la instrumentación científica esté a la altura. Está previsto que este enorme ojo observe el universo en las longitudes de onda que van desde los 320 nm (ultravioleta) a los 30 micrones (infrarrojo medio).

Veamos qué instrumentos se instalarán para que estén listos en la primera luz del TMT.

Ubicación de los instrumentos que analizarán la luz captada por el TMT. Fuente: TMT
  • InfraRed Imaging Spectrometer (IRIS): Este espectrómetro operará en la banda del infrarrojo cercano y alcanzará una resolución angular diez veces mejor que las imágenes del Telescopio Espacial Hubble. Una vez esté operativo, será el instrumento de infrarrojo cercano con mayor resolución angular en el mundo.
  • Wide Field Optical Spectrograph (WFOS): El espectrómetro óptico de campo amplio (WFOS) proporcionará imágenes y espectroscopía en las bandas de ultravioleta cercano y óptica (0,3 - 1,0 μm de longitud de onda) sobre un campo de visión de más de 40 arcmin2. WFOS permitirá observaciones a larga distancia de objetos individuales, así como observaciones a corta distancia de cientos de objetos simultáneamente.
Una vez esté operativo, se espera que se le instalen los siguientes instrumentos durante su primera década de servicio:
  • InfraRed Multi-slit Spectrometer (IRMS)
  • InfraRed Multi-Object Spectrograph (IRMOS)
  • Mid-InfraRed Echelle Spectrograph (MIRES)
  • Planet Formation Instrument (PFI)
  • Nerar-Infrared Echelle Spectrograph (NIRES)
  • High Resolution Optical Spectrograph (HROS)
  • Wide Field InfraRed Camera (WIRC)

Objetivos científicos.

Como no podría ser de otra manera, los objetivos científicos para el TMT son muy ambiciosos. A pesar de los increíbles avances realizados en los últimos años, aún quedan muchas preguntas que requieren respuesta. A medida que crece nuestro nivel de conocimiento se plantean nuevas preguntas, y cada vez son más complicadas de responder. Por ello se hace necesario disponer de mejores instalaciones para seguir avanzando. La enorme capacidad del TMT junto con su avanzada instrumentación ayudarán a responder los enigmas actuales. 

En estos campos se esperan conseguir resultados con el TMT:
  • Exploración espectroscópica de las "edades oscuras" cuando se formaron las primeras fuentes de luz y los primeros elementos pesados ​​del universo.  
  • Origen de las primeras estrellas y galaxias.  
  • La exploración de las galaxias y estructuras a gran escala en el universo joven.  
  • Investigaciones de agujeros negros masivos, incluyendo el de la Vía Láctea.  
  • Exploración de procesos de formación de sistemas estelares.  
  • Caracterización de planetas extrasolares y estudio de sus atmósferas. Detección de biomarcadores.  
  • Y por supuesto, nuevos descubrimientos que aún hoy ni nos imaginamos.

Otra recreación del imponente aspecto del TMT, una vez finalizada su construcción. Fuente: TMT

Ubicación.

Sin duda es el aspecto más controvertido y que más titulares ha acaparado en los medios. Originalmente estaba previsto que se construyera en el observatorio de Mauna Kea, en Hawaii. Sin embargo, una demanda presentada por los habitantes de la isla contra la construcción del telescopio en Mauna Kea (el proyecto original prevé situar el telescopio en un lugar considerado sagrado por los hawaianos) hizo que un juez federal suspendiera la construcción.

Durante este impasse el órgano rector del TMT buscó alternativas por si finalmente no fuera posible construirlo en Hawaii. Se evaluaron varios emplazamientos alrededor del mundo y finalmente se eligió el observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma (Canarias) como la mejor alternativa posible a Hawaii.

En Hawaii hay dos apelaciones ante la Corte Suprema del Estado. La junta de tierras del estado de Hawaii votó en septiembre de 2017 volver a emitir un Permiso de Uso del Distrito de Conservación, lo que permitiría la construcción del telescopio en Mauna Kea. El asunto ha sido apelado ante la Corte Suprema y se han presentado escritos legales en ese caso. La exposición oral de argumentos para la otra apelación judicial, que implica un consentimiento para el subarrendamiento, se llevó a cabo ante la Corte Suprema de Hawaii en marzo de este año.

Se espera que a finales de 2018 se tome una decisión final sobre la ubicación final del TMT, así que ya queda menos para saber qué observatorio disfrutará de uno de los mayores telescopios del mundo.

¿Será posible ver esta estampa? Recreación de cómo de coqueto quedaría el TMT en el observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma. Fuente: TMT/M3 Engineering

Y así de desangeladito quedaría en Mauna Kea, Hawaii (abajo a la izquierda). Se pueden ver también los telescopios gemelos Keck y el Subaru.


Tamaño comparativo de los espejos primarios de los mayores telescopios del mundo, presentes y futuros. Fuente: Wikipedia

Este es el tamaño de los nuevos telescopios gigantes que vienen, comparados con los más grandes en servicio actualmente. El TMT está justo en el centro. A su derecha, el imponente GTC (el mayor en el mundo a día de hoy) pasa casi desapercibido. Fuente: ESO

Y para finalizar, el TMT ha publicado unos vídeos para que nos podamos hacer una idea de cómo quedará este telescopio una vez esté finalizado.



En el siguiente vídeo podemos ver el camino que sigue la luz reflejándose en los espejos hasta llegar a la instrumentación.



Y ahora volaremos para introducirnos en el interior de la cúpula para apreciar en toda su grandeza el enorme espejo primario del TMT.



Mención especial merece el original sistema de apertura y cierre del 'ojo' del TMT. Veamos cómo funciona.



Referencias:

Thirty Meter Telescope site
TMT Construction Proposal
TMT Observatory Architecture

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3 comentarios:

  1. Tremenda entrada, completísima
    Ahora me quedé con ganas de seguir la historia, tendré que esperar hasta la próxima temporada... esto tiene el suspenso de la mejor de las series
    Abrazo

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  2. Gracias por la entrada Victor.
    Pregunta: ¿Hay alguna simulación de como se verían las imágenes de este telescopio? Como para calmar la ansiedad mientras lo terminan de construir jeje.
    Saludos

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  3. Excelente trabajo. Gracias por compartir tan interesante información de forma clara y precisa.

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