Calibrar los espejos del telescopio más grande del mundo

El ELT (Extremely Large Telescope), impulsado por el Observatorio Europeo Austral (ESO) será el telescopio terrestre en la banda óptica y del infrarrojo cercano más grande del mundo. Se está construyendo a más de 3.000 metros de altura, en el cerro Armazones, en el desierto de Atacama, en Chile. Se prevé que entre en funcionamiento en el 2027.

El Centro de Desarrollo, Instrumentación y Sensores (CD6) de la Universidad Politécnica de Cataluña - BarcelonaTech (UPC), con sede en el Campus de Terrassa, trabaja en el desarrollo del sistema óptico que se utilizará para calibrar el gran espejo principal, de 39 metros de diámetro −el más grande de los que existen actualmente.

El ELT será el ojo más grande construido hasta ahora para observar el cielo y abrirá el camino hacia una nueva generación de telescopios ópticos terrestres.

Con un diseño único de cinco espejos, junto a tecnología de última generación para corregir las distorsiones atmosféricas, el ELT proporcionará imágenes 15 veces más nítidas que las del telescopio espacial Hubble. Permitirá explorar profundamente el universo con un gran detalle, lo que comportará un mayor avance en el conocimiento astrofísico.

Los telescopios extremadamente grandes son una de las máximas prioridades de la astronomía terrestre en todo el mundo. El proyecto de construcción del ELT fue aprobado por el ESO en 2012 y está destinado a revolucionar la astronomía moderna. Uno de los objetivos del telescopio es detectar y estudiar planetas parecidos a la Tierra alrededor de otras estrellas y podría convertirse en el primer telescopio en encontrar pruebas de vida fuera de nuestro sistema solar. El ELT también investigará los confines más lejanos del cosmos, revelando las propiedades de las galaxias más tempranas y la naturaleza del universo oscuro.

Recreación que muestra la carcasa del espejo secundario en el centro de la imagen, en la parte superior de la estructura del telescopio, por encima del enorme espejo primario de 39 metros. (Imagen: ESO / L. Calzada / ACe Consortium)

Los cinco espejos del telescopio tendrán diferentes formas, medidas y roles, diseñados para funcionar de forma coordinada a la perfección, un diseño óptico pionero que le permitirá revelar el universo con un detalle sin precedentes. El espejo principal M1 contendrá miles de componentes altamente sofisticados que permitirán recoger la luz del cielo nocturno y reflejarla en el espejo secundario. El convexo M2, el espejo secundario más grande que se ha utilizado hasta ahora en un telescopio, de unos 4 metros de diámetro, colgará por encima del M1 y reflejará la luz hacia el M3, que a su vez la transmitirá a un espejo plano adaptativo, el M4, encima. Este cuarto espejo modificará la forma de su superficie mil veces por segundo para corregir las distorsiones provocadas por la turbulencia atmosférica, antes de enviar la luz al M5, un espejo plano inclinable que estabilizará la imagen y la enviará a los instrumentos del ELT.

El espejo más espectacular desde el punto de vista tecnológico es el principal, el M1, en la construcción del cual trabajan los investigadores del CD6 de la UPC. Se trata de un espejo cóncavo, de 39,3 metros de diámetro y un radio de curvatura de 68,7 metros. Al ser demasiado grande para estar hecho de una sola pieza de vidrio, el espejo principal se compone de segmentos hexagonales individuales, cada uno de unos 5 centímetros de grosor, cerca de 1,5 metros de diámetro y 250 kg de peso, separados entre sí por una distancia de 4 mm. En conjunto, la estructura está formada por seis sectores compuestos por 133 segmentos de diferente forma y funciones; en total, son 798 segmentos hexagonales que actuarán como un único espejo y serán capaces de recoger decenas de millones más veces más luz que el ojo humano.

Estos segmentos hexagonales tienen que estar perfectamente situados para reproducir la forma del espejo primario. La precisión en el alineamiento de estos espejos a lo largo de toda la superficie es de 2 nanómetros (10.000 veces menos que el grosor de un cabello humano) y el objetivo es que estos componentes trabajen juntos para formar un sistema de imagen perfecto. Cada día, dos de estos segmentos se extraerán para ser limpiados y para renovar el recubrimiento, con el objetivo de garantizar la máxima eficiencia del telescopio.

Para asegurar que los segmentos estén ubicados correctamente, el telescopio cuenta con casi 2.500 actuadores que permiten posicionar cada segmento individual con precisión nanométrica. La tarea de estos actuadores es supervisada por dos sistemas: un interferómetro óptico, denominado Local Coherencer, y una red de aproximadamente 9.000 sensores instalados en los segmentos. El diseño, la construcción y la validación del Local Coherencer, un instrumento crítico para el correcto funcionamiento del ELT, ha sido adjudicada a la empresa IDOM, que está liderando el desarrollo en colaboración con el CD6. La solución propuesta por IDOM y el CD6, y aprobada por el ESO, se basa en un concepto óptico original que es una variante del interferómetro que el CD6 ya creó para el Gran Telescopio de Canarias, hace 20 años.

Tal como explica el investigador Santiago Royo, director del CD6 y coordinador del proyecto por parte de la UPC, “el reto es conseguir que el espejo se mantenga en posición y en forma con una precisión de decenas de nanómetros a lo largo de sus 39 metros de extensión a medida que se van reemplazando segmentos. A diferencia otros telescopios con espejos primarios segmentados, el Local Coherencer permitirá hacer esta tarea de día, maximizando, así, el tiempo de observación durante la noche. Uno de los retos de este sistema es la luz ambiente, que añade problemas de iluminación de fondo al instrumento”.

La estructura del telescopio −que lo mantiene estable en todas las condiciones, incluso con vientos fuertes y en caso de producirse terremotos− está formada por una parte horizontal, o estructura acimut, que soporta el tubo del telescopio, y una parte vertical, o estructura de altitud, de 50 metros de altura, que contiene dos plataformas enormes que alojan los cinco espejos y otros instrumentos científicos. El espejo primario está apoyado en la parte inferior de esta estructura, y el espejo secundario cuelga muy por encima de la parte superior del tubo del telescopio. Los otros tres espejos se encuentran en la torre central del tubo del telescopio, de 10 metros, situada en el centro de la estructura de apoyo del espejo principal.

El telescopio y su estructura interior están protegidos del entorno extremo del desierto de Atacama a través de una cúpula gigante de 80 metros de altura y 88 metros de diámetro, una dimensión equivalente a la de un campo de fútbol. La parte superior de la cúpula girará para permitir que el telescopio apunte en cualquier dirección a través de su gran ranura de observación.

Cuando esté totalmente equipado con la óptica y los instrumentos científicos, se calcula que el telescopio llegará a pesar unas 3.700 toneladas.

Desde la construcción de la inmensa estructura de la cúpula del telescopio hasta la fundición de los espejos, el desarrollo del ELT es fruto del trabajo y la colaboración de múltiples empresas y centros de investigación europeos punteros, como el IDOM y el CD6 de la UPC.

El trabajo en la creación de elementos del ELT avanza de manera constante y se prevé que el telescopio haga las primeras observaciones científicas en septiembre del 2027, aproximadamente medio año después de la captación de la “primera luz”, una prueba técnica decisiva del funcionamiento del telescopio. (Fuente: UPC)