El CD6 de la UPC construye un sistema óptico pionero para el telescopio más grande del mundo

El Centro de Desarrollo, Instrumentación y Sensores (CD6) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en Terrassa ha finalizado con la empresa IDOM el diseño y construcción 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— del Extremely Large Telescope (ELT). Será el telescopio terrestre óptico e infrarrojo cercano más grande del mundo y se está construyendo a más de 3.000 metros de altura, en el cerro Armazones, en el desierto de Atacama, en Chile.

El Centro de Desarrollo, Instrumentación y Sensores (CD6) de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), centro TECNIO con sede en el Campus de Terrassa, ha finalizado su aportación al proyecto de construcción del Extremely Large Telescope (ELT): el diseño y la construcción del sistema óptico que se utilizará para calibrar el gran espejo principal del telescopio.

De los cinco espejos que contendrá el telescopio, el espejo principal, llamado M1, es el más espectacular desde el punto de vista tecnológico. Es un espejo cóncavo de 39,3 metros de diámetro —el más grande de los que existen actualmente— y un radio de curvatura de 68,7 metros. Al ser demasiado grande para estar hecho de una sola pieza de vidrio, el aparato se compone de segmentos hexagonales individuales, cada uno de unos cinco 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 distinta forma y funciones; en total, son 798 segmentos hexagonales que actuarán como un único espejo y serán capaces de recoger decenas de millones de veces más luz que el ojo humano.

Estos segmentos hexagonales deben 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 dos nanómetros (un grosor 10.000 veces más delgado que un cabello humano) y el objetivo es que estos componentes trabajen juntos para formar un sistema de imagen perfecto. Todos los días, dos de estos segmentos se extraerán para ser limpiados y para renovar su recubrimiento, con el objetivo de garantizar la máxima eficiencia del telescopio.

Para asegurar que los segmentos estén correctamente ubicados, el telescopio cuenta con casi 2.500 actuadores que permiten posicionar cada segmento individual con precisión nanométrica. La tarea de estos actuadores está supervisada por dos sistemas: un interferómetro óptico, llamado Local Coherencer, y una red de aproximadamente 9.000 sensores instalados en los segmentos.

El diseño, construcción y validación del Local Coherencer, un instrumento crítico para el correcto funcionamiento del ELT, se adjudicó a la empresa IDOM, que ha liderado su desarrollo en colaboración con el CD6. La solución creada por IDOM y el CD6, y aprobada por el European Southern Observatory (ESO) dentro de un concurso competitivo de propuestas internacional, 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. Se trata de un sistema de metrología sin contacto, una solución ligera, compacta y robusta, que permite medir simultáneamente la diferencia de posición (pistón) entre un segmento y sus seis vecinos. Tiene una precisión inferior a 300 nanómetros dentro de un rango de ±250 micras, y funciona mientras está montado en el manipulador de segmentos del telescopio. El sistema se entregará en mayo al ESO, en Múnich, para su validación, y posteriormente se instalará en el ELT en Chile.

Tal y como explica el investigador Santiago Royo, director del CD6 y coordinador del proyecto por parte de la UPC, "el sistema construido se basa en un concepto totalmente innovador, que permitió ganar junto con IDOM un proceso de licitación internacional y depositar una patente internacional. El sistema mide no solo la diferencia de altura entre los dos segmentos, sino también las inclinaciones relativas entre ellos, todo con un solo instrumento".

Para Noel Rodrigo, responsable técnico, "es muy estimulante como ingenieros ópticos participar en el Extremely Large Telescope con una instrumentación crítica, pero lo es especialmente por el hecho de proponer un sistema totalmente original, e ir pasando todas las fases de su implementación, incluyendo el diseño detallado de todo el sistema, la selección de componentes, la construcción de todo el instrumento, el desarrollo del software de procesado, y la visualización que todos los modelos y la hipótesis se confirman llegando a las especificaciones deseadas".

Según explica Santi Royo, "no solo hemos propuesto el sistema. Lo hemos construido y lo hemos puesto en marcha de acuerdo con lo previsto, en una colaboración muy positiva entre la UPC y un socio industrial de primer nivel con el que ya trabajamos en la posible continuidad de la colaboración en otros proyectos".

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 azimut, 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 soporte del espejo principal.

Con diferentes formas, tamaños y funciones, los cinco espejos del telescopio están 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 mayor espejo secundario que se ha utilizado nunca 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 ELT.

El ELT es un telescopio revolucionario de luz visible e infrarroja que se convertirá en el ojo más grande construido hasta ahora para observar el cielo, abriendo el camino hacia una nueva generación de telescopios ópticos terrestres. Con su 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 gran detalle, lo que comportará un gran avance en el conocimiento astrofísico.

Los telescopios extremadamente grandes son una de las máximas prioridades en 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 similares a la Tierra en torno a 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.

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 diversas empresas y centros de investigación europeos líderes, como IDOM y el CD6 de la UPC.

Mientras el trabajo en la fabricación y el diseño de elementos del ELT en Europa avanza de forma constante, se prevé que el ELT haga las primeras observaciones científicas en septiembre de 2027, aproximadamente medio año después de una primera luz técnica del telescopio.