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El diseño conceptual del espectrómetro óptico de campo amplio del TMT avanza

Renderización del Telescopio de Treinta Metros mostrando las plataformas Nasmyth (en azul) y dos de nuestros primeros instrumentos de luz – El Espectrómetro Óptico de Campo Ancho (WFOS) de TMT está ubicado en la plataforma derecha mientras que el sistema de Óptica Adaptativa (NFIRAOS) más el Espectrógrafo de Imágenes Infrarrojas (IRIS) están ubicados en la plataforma izquierda – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional TMT

 

Uno de los tres instrumentos de primera luz es el Espectrómetro Óptico de Campo Ancho (WFOS), ha sido recientemente sometido a una revisión provisional de diseño conceptual a través del Zoom. El propósito del examen era evaluar los progresos del instrumento hasta la fecha y proporcionar orientación sobre el posible trabajo necesario para completar con éxito los aspectos técnicos y científicos para llevar el diseño general a un nivel de diseño conceptual completo. En el examen se identificaron casos científicos adicionales, se recomendaron requisitos funcionales adicionales y se proporcionó una evaluación inicial del nuevo concepto opto-mecánico.

Una representación del Instrumento de Espectrómetro Óptico de Campo Ancho (WFOS) mostrado in-situ en la Plataforma Nasmyth de TMT – WFOS es un espectrómetro óptico multiobjeto y generador de imágenes con un campo amplio y limitado por el seeing de la atmosfera terrestre (no usa óptica adaptativa). La luz del Espejo Terciario TMT (M3) es entregada al Corrector de Dispersión Atmosférica (ADC) del WFOS. El nuevo diseño del instrumento está optimizado para ser compacto – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional TMT

 

El alcance del examen provisional de la WFOS incluía la evaluación de lo siguiente:

  1. La amplitud de los casos científicos propuestos
  2. Flexibilidad, eficiencia y riesgos dentro de los conceptos operacionales
  3. Consideración de los estudios comerciales, la manufacturabilidad, el rendimiento y los riesgos del diseño óptico
  4. Consideración de los estudios comerciales, la funcionalidad, la complejidad, el rendimiento y los riesgos del diseño mecánico.
Vista detallada de la sección transversal del Instrumento WFOS – El diseño del WFOS ahora presenta una orientación vertical que permite que el instrumento sea invariable en cuanto a la gravedad, y desrota el campo durante las observaciones – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional TMT

 

El WFOS se concibe como un instrumento de trabajo y está diseñado para proporcionar capacidades científicas muy flexibles, al tiempo que se esfuerza por mantener un diseño general de bajo riesgo. En 2018, el WFOS se sometió a un amplio estudio entre dos arquitecturas fundamentalmente diferentes. Estos dos conceptos incluían la exploración de pequeños espectrógrafos alimentados por fibra y el actual diseño de gran “óptica monolítica”. Desde esta selección, el equipo de WFOS ha trabajado diligentemente para producir un concepto de diseño provisional que aborde y retire los riesgos identificados anteriormente para el concepto monolítico elegido. Las principales adaptaciones del diseño se resumen a continuación:

  • La explotación de los avances en las técnicas de fabricación de grandes ópticas ha permitido centrar el campo de visión del WFOS en el eje óptico del telescopio; a diferencia de los diseños anteriores en los que el campo se compensaba con 4,8 minutos de arco. Esto permite que el instrumento sea físicamente más pequeño.
  • El diseño más compacto en el eje permitió al equipo volver a empaquetar el instrumento de modo que el rayo entrante se desvíe ahora hacia abajo dentro del instrumento y por lo tanto sea paralelo a la gravedad. Esto permite al WFOS girar alrededor de su eje vertical durante la operación, produciendo un diseño invariable de la gravedad que reduce en gran medida las preocupaciones sobre la flexión del instrumento y probablemente elimina la necesidad de un complicado sistema de control de la flexión.
  • Para mantener un diseño simple y rentable capaz de lograr varios modos de resolución espectral, así como un modo de imagen, las cámaras del WFOS se articulan. La articulación de las cámaras también es invariable a la gravedad.
Visión general del concepto opto-mecánico del WFOS de la TMT – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional de la TMT

 

Como lo describió uno de los miembros del panel de revisión de la WFOS, “el equipo técnico de la WFOS merece una enorme y sincera felicitación por mejorar el diseño de la WFOS en casi todos los aspectos. Los discopios hechos a partir del diseño de WFOS-2013 son inteligentes, el instrumento parece mucho más fácil de construir, y el rendimiento previsto es sobresaliente y realista. ¡También quiero elogiar al equipo por usar una solución de alta tecnología por el colimador que reequilibra inteligentemente el riesgo! WFOS será un instrumento que causará, lo que los jóvenes llaman, FOMO (miedo a perderse)”.

Más sobre el diseño actual

El WFOS soportará tres modos de operación principales: imágenes directas, espectroscopia de hendidura única larga y espectroscopia de rendija múltiple. El espectrógrafo soportará varias resoluciones espectrales, incluyendo R = 1.500 y R = 3.500; con el modo R = 1.500 capturando todo el paso de banda del instrumento en una sola exposición. El diseño actual también satisface el objetivo de proporcionar un modo de resolución espectral de 5.000. Los modos descritos utilizan anchos de hendidura de 0,75″; sin embargo, la óptica del instrumento está diseñada para preservar la calidad de la imagen para hendiduras más estrechas de hasta 0,25″, permitiendo resoluciones espectrales más altas (hasta 15.000) a expensas del rendimiento.

Los programas científicos que utilizan hendiduras estrechas se beneficiarán más de la implementación de la corrección de la óptica adaptativa de la capa terrestre como parte de una posible mejora futura del Observatorio. El WFOS también es capaz de obtener imágenes directamente de todo su campo de visión científica, proporcionando al Observatorio un modo de imagen de campo amplio desde la primera luz del telescopio.

El WFOS será el único instrumento del TMT capaz de obtener espectros en longitudes de onda ópticas (el paso de banda del WFOS es 0,31-1,0 μm) durante al menos los primeros años de operaciones del TMT. Por esta razón, una consideración importante para el diseño ha sido la versatilidad, para asegurar que el WFOS será capaz de abordar un rango muy amplio de la ciencia.

Los temas científicos centrales de la WFOS incluyen el estudio de:

  • Tomografía de las galaxias de alto desplazamiento hacia el rojo. ¿Cómo se forman las protogalaxias por su entorno gaseoso y cómo afectan a ese entorno?
  • El origen y las propiedades de las poblaciones estelares en las galaxias cercanas.
  • Los mecanismos clave que inician las etapas finales de la evolución de las galaxias.
  • La naturaleza de las fuentes transitorias.

El WFOS logrará la espectroscopia óptica más sensible jamás intentada. Se espera que el WFOS se utilice a menudo como la capacidad espectroscópica de mayor sensibilidad, con el fin de realizar una identificación inicial o un seguimiento de alta calidad de los nuevos descubrimientos.

El WFOS promoverá avances en muchos temas diferentes y servirá a equipos de investigadores que abarcan una amplia gama de intereses científicos. Es probable que sus descubrimientos más interesantes sean imposibles de predecir, pero entre sus muchas áreas de investigación, el WFOS estudiará la distribución y la naturaleza de la materia oscura en el universo, así como la composición de las galaxias de alto desplazamiento hacia el rojo, la física de las supernovas y los estallidos de rayos gamma.

Las instituciones colaboradoras de la WFOS son:

  • El Instituto Tecnológico de California (CIT);
  • El Instituto Indio de Astrofísica (IIA), en nombre del Centro de Coordinación de TMT de la India (ITCC);
  • El Instituto de Óptica y Tecnología Astronómicas de Nanjing (NIAOT) en nombre del Observatorio Astronómico Nacional de China (NAOC);
  • El Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre del Instituto Nacional de Ciencias Naturales (NINS) y
  • Los Observatorios de la Universidad de California (UCO).

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