El CD6 de la UPC construeix un sistema òptic pioner per al telescopi més gran del món

El Centre de Desenvolupament, Instrumentació i Sensors (CD6) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) ha finalitzat la seva aportació al projecte de construcció de l’Extremely Large Telescope (ELT): el disseny i la construcció del sistema òptic que es farà servir per calibrar el gran mirall principal del telescopi.

Dels cinc miralls que contindrà el telescopi, el mirall principal, denominat M1, és el més singular des del punt de vista tecnològic. És un mirall còncau de 39,3 metres de diàmetre —el més gran dels que existeixen actualment— i un radi de curvatura de 68,7 metres. En ser massa gran per estar fet d’una sola peça de vidre, l'aparell es compon de segments hexagonals individuals, cadascun d’uns cinc centímetres de gruix, prop d’1,5 metres de diàmetre i 250 kg de pes, separats entre si per una distància de 4 mm. En conjunt, l’estructura està formada per sis sectors compostos per 133 segments de diferent forma i funcions. En total, són 798 segments hexagonals que actuaran com un únic mirall i tindran capacitat per recollir desenes de milions de vegades més llum que l'ull humà.

Aquests segments hexagonals han d’estar perfectament situats per reproduir la forma del mirall primari. La precisió en l’alineament d’aquests miralls al llarg de tota la superfície és de dos nanòmetres (un gruix 10.000 vegades més prim que un cabell humà) i l’objectiu és que aquests components treballin junts per formar un sistema d’imatge perfecte. Cada dia, dos d’aquests segments s’extrauran per ser netejats i per renovar-ne el recobriment, amb l’objectiu de garantir la màxima eficiència del telescopi.

Per assegurar que els segments estiguin ubicats correctament, el telescopi compta amb gairebé 2.500 actuadors que permeten posicionar cada segment individual amb precisió nanomètrica. La tasca d’aquests actuadors és supervisada per dos sistemes: un interferòmetre òptic, anomenat Local Coherencer, i una xarxa d’aproximadament 9.000 sensors instal·lats en els segments.

El disseny, la construcció i la validació del Local Coherencer, un instrument crític per al correcte funcionament de l’ELT, es va adjudicar a l’empresa IDOM, que n'ha liderat el desenvolupament en col·laboració amb el CD6. La solució creada pel CD6 i IDOM, i aprovada per l’European Southern Observatory (ESO), es basa en un concepte òptic original, que és una variant de l’interferòmetre que el CD6 ja va crear per al Gran Telescopi de Canàries, ara fa 20 anys. Es tracta d'un sistema de metrologia sense contacte, una solució lleugera, compacta i robusta, que permet mesurar simultàniament la diferència de posició (pistó) entre un segment i els seus sis veïns. Té una precisió inferior a 300 nanòmetres dins d’un rang de ±250 micres, i funciona mentre està muntat en el manipulador de segments del telescopi. El sistema mesura no només la diferència d’alçada entre els dos segments, sinó també les inclinacions relatives entre ells, tot amb un sol instrument.

L’estructura del telescopi —que el manté estable en totes les condicions, fins i tot amb vents forts i en cas de produir-se terratrèmols— està formada per una part horitzontal, o estructura azimut, la qual suporta el tub del telescopi. També inclou una part vertical, o estructura d'altitud, de 50 metres d’alçada, que conté dues plataformes enormes les quals allotgen els cinc miralls i altres instruments científics. El mirall primari està recolzat a la part inferior d'aquesta estructura, i el mirall secundari penja molt per sobre de la part superior del tub del telescopi. Els altres tres miralls se situen a la torre central del tub del telescopi, de 10 metres, situada al centre de l'estructura de suport del mirall principal.

Amb diferents formes, mides i funcions, els cinc miralls del telescopi estan dissenyats per funcionar de forma coordinada, un disseny òptic pioner que permetrà revelar dades de l'Univers amb un detall sense precedents. El mirall principal M1 contindrà milers de components altament sofisticats que permetran recollir la llum del cel nocturn i reflectir-la en el mirall secundari. El convex M2, el mirall secundari més gran que s'ha utilitzat mai en un telescopi, d'uns 4 metres de diàmetre, penjarà per sobre de l’M1 i reflectirà la llum cap a l’M3, que al seu torn la transmetrà a un mirall pla adaptatiu, l’M4, situat a sobre. Aquest quart mirall modificarà la forma de la seva superfície mil vegades per segon per corregir les distorsions provocades per la turbulència atmosfèrica, abans d'enviar la llum a l’M5, un mirall pla inclinable que estabilitzarà la imatge i l'enviarà als instruments ELT.

L’innovador sistema, que va permetre guanyar juntament amb IDOM un procés de licitació internacional i dipositar una patent internacional, s’ha entregat en el mes de maig a l’ESO, a Munich, per a la seva validació, i posteriorment s’instal·larà a l'ELT a Xile.

L'ull més gran construït fins ara
L'ELT és un telescopi revolucionari de llum visible i infraroja que esdevindrà l’ull més gran construït fins ara per observar el cel, obrint el camí cap a una nova generació de telescopis òptics terrestres. Amb el seu disseny únic de cinc miralls, juntament amb tecnologia d'última generació per corregir les distorsions atmosfèriques, l’ELT proporcionarà imatges 15 vegades més nítides que les del telescopi espacial Hubble. Permetrà explorar profundament l'Univers amb un gran detall, la qual cosa comportarà un gran avenç en el coneixement astrofísic.

Els telescopis extremadament grans són una de les màximes prioritats en l'astronomia terrestre a tot el món. El projecte de construcció de l’ELT va ser aprovat per l’ESO el 2012, i està destinat a revolucionar l’astronomia moderna. Un dels objectius del telescopi és detectar i estudiar planetes semblants a la Terra al voltant d'altres estrelles i podria convertir-se en el primer telescopi a trobar proves de vida fora del nostre sistema solar. L’ELT també investigarà els confins més llunyans del cosmos, revelant les propietats de les galàxies més primerenques i la naturalesa de l'univers fosc.  

El telescopi i la seva estructura interior estan protegits de l’entorn extrem del desert d’Atacama a través d’una cúpula gegant de 80 metres d’alçada i 88 metres de diàmetre, una dimensió equivalent a la d’un camp de futbol. La part superior de la cúpula girarà per permetre que el telescopi apunti en qualsevol direcció a través de la seva gran ranura d'observació.

Quan estigui totalment equipat amb l'òptica i els instruments científics, es calcula que el telescopi arribarà a pesar unes 3.700 tones.

Mentre el treball en la fabricació i el disseny d'elements de l'ELT a Europa avança de manera constant, es preveu que l'ELT faci les primeres observacions científiques el setembre del 2027, aproximadament mig any després d'una primera ‘llum tècnica’ del telescopi.

Pressupost i finançament

El projecte és fruit del treball i la col·laboració de diverses empreses i centres de recerca europeus capdavanters, entre els quals l'IDOM i el CD6 de la UPC. La durada del projecte és de 5 anys i mig.