El espectrógrafo infrarrojo multiobjetivo (MODHIS) de TMT – MODHIS es un espectrógrafo de alta resolución limitado por difracción y alimentado por fibra monomodo que forma parte del conjunto de instrumentos de primera luz del TMT. (Izquierda): Concepto de la estructura de soporte de MODHIS, el rotador, el sensor de frente de onda en el instrumento (OIWFS) y el instrumento frontal (FEI). (Derecha): Mediante el estudio de la forma de las líneas espectrales a alta resolución espectral, MODHIS se utilizará para medir la composición atmosférica, el giro y la órbita de los exoplanetas y también se dirigirá a otras fuentes astronómicas, desde planetas de nuestro sistema solar hasta las enanas marrones y núcleos galácticos activos lejanos. Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
Pasadena, CA – El espectrógrafo infrarrojo multiobjetivo de alta resolución limitado por difracción (MODHIS) del TMT, un instrumento de primera luz, ha completado con éxito la primera fase de su diseño conceptual. MODHIS aprovechará la gran área de captación y la resolución angular sin precedentes del TMT para avanzar de forma espectacular en una amplia gama de programas científicos, como la búsqueda y caracterización de exoplanetas, el estudio del entorno de los agujeros negros supermasivos en el centro de la Vía Láctea y de galaxias más lejanas y la composición y dinámica de los grandes cuerpos del sistema solar.
El instrumento MODHIS es una colaboración entre el Instituto Tecnológico de California (Caltech), la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), la Universidad de California en San Diego (UCSD), el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y la Oficina del Proyecto TMT en Pasadena. Dimitri Mawet (Caltech), investigador principal de MODHIS; Quinn Konopacky (UCSD), científico del proyecto MODHIS; y Michael Fitzgerald (UCLA), co-investigador principal de MODHIS, presentaron los detalles de los casos científicos del instrumento y los requisitos científicos relacionados.
“MODHIS es un espectrógrafo infrarrojo de alta precisión. El instrumento llevará a cabo estudios de las atmósferas de los exoplanetas mediante espectroscopia de tránsito/cercana a los planetas, espectroscopia directa de los complementos fotografiados, así como mediciones de la velocidad radial. Operando en el régimen de difracción limitada en un rango de longitudes de onda de entre 0,98 µm y 2,46 µm, el TMT utiliza óptica adaptativa para inyectar eficientemente la luz de las estrellas directamente en fibras monomodo que iluminan un espectrógrafo de alta resolución espectral (R ≃100.000 espectros), criogénico y de difracción limitada. Para maximizar el rendimiento, el espectrógrafo utiliza un diseño compacto combinado con una alta estabilidad interna (<0,5 m/s). Esta combinación permitirá una capacidad única del TMT para los estudios de exoplanetas y de astrofísica en general“, dijo Mawet.
Metas y objetivos científicos clave de MODHIS
Una de las principales prioridades científicas para las próximas décadas es desarrollar capacidades para explorar otros sistemas planetarios y determinar si pueden albergar la aparición de vida. El MODHIS del TMT será un potente instrumento capaz de estudiar la composición y las características físicas de otros mundos, al tiempo que buscará sutiles bioseñales en sus espectros que podrían indicar la presencia de vida.
El instrumento será sensible a una gran parte de los exoplanetas que han sido detectados por los estudios de tránsito (incluidas las misiones TESS y Kepler), lo que aumentará en gran medida la gama de estudios de exoplanetas que pueden permitir los instrumentos de primera luz del TMT. MODHIS ofrece cuatro técnicas principales para detectar y calificar a los exoplanetas:
1- Espectroscopia de tránsito:
Los astrónomos pueden estudiar los planetas cuando transitan frente a sus estrellas anfitrionas, captando la luz estelar que se filtra a través de la atmósfera del planeta. Las observaciones de tránsito de MODHIS de exoplanetas cercanos, desde Júpiter caliente hasta mini-Neptuno, super-Tierra y planetas del tamaño de la Tierra, proporcionarán una herramienta única para determinar la composición de su atmósfera, la naturaleza de las nubes y brumas de gran altura, y explorar la diversidad de los exoplanetas.
2- Espectroscopia directa:
MODHIS utilizará la coronagrafía de alta dispersión para caracterizar con precisión la composición de las atmósferas de los exoplanetas, medir su velocidad orbital y su giro, y producir imágenes Doppler para cartografiar las características atmosféricas y/o de la superficie. MODHIS también permitirá una caracterización detallada de las propiedades físicas y de composición de las enanas marrones, objetos astronómicos intermedios entre un planeta gigante y una estrella.
3- Interferometría de anulación
En el caso de los exoplanetas y los discos circustelares separados de su estrella anfitriona en el límite de difracción de TMT, o dentro de él, se utilizará la anulación de fibras para hacer posible su detección y caracterización espectroscópica. MODHIS permitirá estudiar los exoplanetas en varias etapas clave de su formación y evolución:
Los protoplanetas recién nacidos (1 Myr) que residen en regiones cercanas de formación estelar para presenciar la formación de planetas en acción; los planetas adolescentes (~30 Myr) que acaban de terminar de formarse y que todavía irradian las firmas de su proceso de formación; y los planetas maduros (> 1 Gyr).
4- Velocidad radial de precisión (PRV)
Con una precisión de la velocidad radial superior a 30 cm/s, MODHIS mejorará enormemente nuestra comprensión de la demografía de los exoplanetas y de los parámetros físicos que pueden influir en la formación y evolución de los planetas, incluyendo la medición de la masa del planeta y de las propiedades de las estrellas anfitrionas (masa, radio, temperatura, etc.). Además, MODHIS permitirá mejorar enormemente las mediciones de la velocidad radial de las estrellas situadas en las inmediaciones del centro galáctico.
Conceptos del diseño de MODHIS
La Revisión del Diseño Conceptual provisional introdujo el concepto arquitectónico general de MODHIS y abordó aspectos de flexibilidad operativa, eficiencia y riesgos. Se presentaron estudios comerciales, cálculos de sensibilidad y espectros simulados para demostrar que el diseño adoptado permitirá con éxito los casos científicos de MODHIS.
La revisión se centró en la descripción de la estructura de soporte, el rotador y el sensor de frente de onda en el instrumento (SRO) y el instrumento frontal (FEI). El SRO y el FEI de MODHIS se instalarán en el puerto superior del sistema AO de la instalación TMT. NFIRAOS entregará un campo corregido por óptica adaptativa a MODHIS. El SRO de MODHIS y el FEI trabajarán juntos para acoplar eficazmente la luz del objetivo a las fibras monomodo, que bajarán por la estructura del telescopio y atravesarán la envoltura del cable para llegar al espectrógrafo y a los módulos de calibración situados en una sala aislada térmica y vibratoriamente en el muelle del telescopio.
Conceptos de ubicación del subsistema MODHIS – La Estructura de Soporte, el Rotador y el Sensor de Frente de Onda (SRO) y el Instrumento Frontal (FEI) de MODHIS están ubicados en el puerto superior del sistema AO de la instalación TMT NFIRAOS. El sistema de entrega de fibra MODHIS (FIB) transporta la luz al espectrógrafo (SPEC). El SPEC y el sistema de calibración (CAL) se colocarán en un laboratorio del TMT situado en el muelle con el fin de proporcionar un entorno estable para la medición de las velocidades radiales de precisión – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
La luz emitida por NFIRAOS pasará por los subsistemas ópticos clave de MODHIS:
- El Sensor de Estructura, Rotador y de Frente de Onda en el Instrumento (SRO) proporciona la interfaz mecánica y térmica a NFIRAOS, hace girar el instrumento y detecta la punta, la inclinación y el enfoque cuando MODHIS se utiliza en modo de estrella guía láser,
- El Instrumento Frontal (FEI) retransmite la luz del NFIRAOS y acopla esa luz eficientemente en las fibras ópticas monomodo. El FEI incluye una Cámara de Adquisición e Imagen de la Pupila (APIC) que es esencial para esta función,
- El Sistema de Entrega de Fibra (FIB) transporta la luz y enlaza el FEI con los espectrógrafos a través del telescopio y la envoltura del cable (longitud estimada ~ 110m),
- Los espectrógrafos (SPEC) se componen de dos espectrógrafos separados para el “azul” (longitudes de onda de 0,98-1,33 micras) y el “rojo” (longitudes de onda de 1,49-2,46 micras). Los espectrógrafos no contienen partes móviles para maximizar su estabilidad y precisión,
- El sistema de calibración (CAL) proporciona las distintas señales de calibración que pueden inyectarse en NFIRAOS, FEI o SPEC directamente.
Representación en CAD de los subsistemas del instrumento MODHIS en el telescopio – Los subsistemas MODHIS que están montados en el puerto superior de NFIRAOS, incluyen la estructura, el rotador y los dispositivos del sensor de frente de onda en el instrumento (SRO) y del instrumento frontal (FEI) – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
El diseño del FEI es extremadamente compacto y se encuentra sobre el diseño del sensor de frente de onda en el instrumento (OIWFS), lo que permite que los dos subsistemas compartan un entorno común controlado térmicamente (refrigerado a -30 °C) con NFIRAOS.
Concepto de diseño mecánico de la estructura, el rotador y el sensor de frente de onda (SRO) del TMT – El SRO se muestra en el puerto superior de NFIRAOS – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
La estructura de soporte conecta el OIWFS con el NFIRAOS a través de tres puntos de montaje en el NFIRAOS que están situados a tres metros del eje óptico.
Diseño mecánico del Espectrómetro TMT MODHIS – El Espectrómetro Azul y el Espectrómetro Rojo están encerrados en criostatos duales montados uno al lado del otro en un banco óptico común situado en un laboratorio ubicado en el muelle del TMT – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
El canal de espectroscopia ROJO (resp. AZUL) es el brazo rojo (resp. azul) de una configuración de espectrómetro doble, en la que cada canal de espectroscopia está alojado en su propio criostato. El espectrógrafo rojo cubre las longitudes de onda de 1,49µm a 2,46µm, mientras que el canal de espectroscopia azul opera en el rango de 0,98µm a 1,33µm.
El diseño del subsistema espectrógrafo de MODHIS será heredado en gran medida del instrumento Espectrógrafo Infrarrojo de Alta Resolución para la Caracterización de Exoplanetas (HISPEC), que se está desarrollando actualmente para el Observatorio W.M. Keck y cuya primera luz está prevista para 2026.
Los conceptos del sistema de gestión de la fibra y del instrumento frontal de MODHIS comparten algunos elementos de diseño con HISPEC, pero también incluyen componentes específicos del TMT.
Conceptos operativos de MODHIS
Los conceptos operativos de MODHIS se desarrollaron claramente para un instrumento a nivel de diseño conceptual, y se guiarán por varios requisitos de alto nivel:
Estabilidad: El espectrógrafo se alojará en un laboratorio situado en el muelle del TMT, lejos del telescopio, en un lugar estable e inalterado, con un mínimo o ningún componente móvil. La combinación de una mínima interacción o movimiento dentro del espectrógrafo, y la capacidad de medir y calibrar cualquier posible cambio en todo el sistema, garantizará un alto nivel de estabilidad y reproducibilidad de las mediciones de MODHIS.
Facilidad de uso: Todas las interfaces y herramientas de observación, como el estado del telescopio y del AO, el software del guiado, etc., serán fácilmente accesibles para todos los usuarios de MODHIS, independientemente de su nivel de experiencia en la observación.
Fiabilidad: El diseño y las operaciones de MODHIS dependerán de la fiabilidad y repetibilidad demostradas, minimizando los posibles fallos de hardware y software. Para mantener la máxima fiabilidad y estabilidad, los espectrógrafos de MODHIS se aislarán y perturbarán mínimamente, mientras que los componentes delanteros se diseñarán con la necesidad de pocos ajustes técnicos.
Flexibilidad: Aunque MODHIS ofrecerá una resolución y una cobertura de longitudes de onda fijas, el objetivo es que el sistema frontal ofrezca la mayor flexibilidad de configuración posible para permitir una amplia gama de casos científicos.
Despliegue y configuración rápidos: MODHIS también se diseñará para permitir cambios rápidos en la configuración, tanto durante como entre las observaciones. El tiempo para desplegar o reconfigurar MODHIS se mantendrá al mínimo. El tiempo necesario para iniciar una observación de MODHIS será inferior a 10 minutos si se trata de un cambio de instrumento, y menos de 5 minutos entre observaciones de MODHIS de cualquier objeto en el cielo.
Captura de pantalla de los participantes en la fase 1 de revisión del diseño conceptual de MODHIS de TMT, celebrada el 12 de agosto de 2022 – Cerca de 30 ingenieros y científicos de Caltech, UCLA, UCSD, JPL y TMTPO asistieron a la revisión a distancia y evaluaron el progreso del diseño conceptual de MODHIS – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional del TMT
David Andersen, jefe del Grupo de Instrumentos Científicos del TMT, dijo: “Gracias al equipo de instrumentos que realizó un gran trabajo y proporcionó a la comunidad del TMT su primera visión detallada de MODHIS. El TMT también agradece a los revisores que dieron su tiempo para hacer de MODHIS un instrumento mejor en el futuro. MODHIS proporcionará capacidades sin precedentes a la comunidad TMT, en particular para la caracterización de exoplanetas en su zona habitable. MODHIS empezará a funcionar poco después de la puesta en marcha y la verificación científica de IRIS; ambos instrumentos serán alimentados por NFIRAOS y se complementarán perfectamente. “
