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De pétalas de espelho a estrelas laser: atingido marco de óptica adaptativa do ELT

6 de Outubro de 2021

O maior espelho adaptável já construído, o espelho M4 do futuro Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, atingiu um marco importante no seu desenvolvimento: os seis segmentos em forma de pétala que compõem o espelho estão terminados.

O M4, o quarto espelho no caminho da luz do telescópio, pode mudar de forma rapidamente de maneira muito precisa e constitui uma parte crucial do sistema de óptica adaptativa do ELT. A radiação emitida por objetos cósmicos é distorcida pela atmosfera do nosso planeta, dando origem a imagens borradas. Para corrigir estas distorções, o ELT utilizará hardware e software de óptica adaptativa avançada, alguns dos quais foram desenvolvidos especialmente para este telescópio. Estes sistemas incluem lasers potentes que criam estrelas artificiais de referência no céu — necessárias quando não existem estrelas suficientemente brilhantes perto do objeto em estudo que permitam medições das distorções atmosféricas — e câmeras de detecção rápida e precisa que medem essas distorções. Estas medições são então encaminhadas em tempo real para computadores extremamente rápidos, que calculam as correções de forma necessárias para serem aplicadas ao M4. Além da conclusão da construção das pétalas do M4, esses sistemas também atingiram recentemente importantes marcos na sua construção.

Graças ao seu sistema de óptica adaptativa, o ELT do ESO será capaz de fornecer imagens mais nítidas que as que são obtidas atualmente, ou no futuro, no espaço, com telescópios tais como o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e o Telescópio Espacial James Webb.

Entregue a última pétala do espelho adaptativo M4

Com um diâmetro de 2,4 metros, o M4 é o maior espelho deformável já construído e um dos mais desafiantes componentes do que será o maior telescópio visível e infravermelho do mundo. Este espelho é composto por seis segmentos ultrafinos, os dois últimos já finalizados.

As seis pétalas do M4 são feitas de Zerodur©, um material vitrocerâmico especial fabricado pela SCHOTT na Alemanha. A companhia francesa Safran Reosc começou a polir as pétalas do M4 em 2017, transformando cada uma das folhas de 35 mm de espessura de Zerodur© num segmento flexível com menos de 2 mm de espessura. Todas as pétalas foram inspeccionadas por engenheiros do ESO antes de serem enviadas à companhia italiana AdOptica, que recebeu a última apenas alguns meses atrás.

Durante as fases finais de produção, a AdOptica aplicou um revestimento na superfície posterior do espelho e colocou suportes laterais para ligar as pétalas à estrutura mecânica do M4. Além disso, os técnicos da companhia colaram mais de 5000 ímãs na superfície traseira do espelho, os quais serão utilizados para deformar os segmentos flexíveis do M4, fazendo ajustes 1000 vezes por segundo com uma precisão de 50 nanômetros (a milionésima parte do milímetro).

A Safran Reosc está trabalhando para produzir um conjunto idêntico de pétalas, elevando o seu total para 12. Estas pétalas desempenharão o papel de peças sobresselentes e prevê-se que sejam trocadas com as seis originais, quando estas últimas necessitarem de novo revestimento após alguns anos de uso, minimizando a interrupção do tempo de observação do telescópio.

Progresso do corpo de referência do M4

Uma vez que as pétalas do M4 são extremamente finas e têm que se deformar com uma precisão extraordinária, é necessária uma estrutura muito estável para as apoiar: um corpo de referência com ímãs que apoiará o espelho e ajustará a sua forma. Esta estrutura de referência foi fabricada pela empresa francesa Mersen em carboneto de silício Boostec®, um dos materiais leves mais rígidos disponíveis, e depois polida pela companhia belga AMOS, que se encontra já na fase final deste processo.

Dar a forma final ao corpo de referência é extremamente difícil. A AMOS tem como objetivo obter uma estrutura plana com uma precisão de 5 microns (a milésima parte do milímetro), o que foi dificultado pelo fato de que sua superfície tem muitos orifícios para encaixar os atuadores M4.

Assim que o corpo de referência estiver terminado e entregue, a AdOptica dará início ao longo processo de integração da unidade M4 completa: a estrutura composta pelo espelho, o seu corpo de referência e todos os elementos de suporte e conexão. A AdOptica prevê realizar os primeiros testes do espelho M4 completamente integrado no último trimestre de 2022.

Guia laser de estrelas aceito

Um dos componentes mais visíveis dos sistemas de óptica adaptativa do ELT será o seu “sistema de estrelas guia a laser” que será constituído por seis lasers que gerarão estrelas guias artificiais na atmosfera superior. Para medir as distorções causadas pela atmosfera terrestre, o sistema de óptica adaptativa do ELT precisa de estrelas brilhantes perto do objeto em estudo. Uma vez que este tipo de estrelas nem sempre se encontram disponíveis no céu, os sistemas laser do ELT permitirão aos astrônomos criar estrelas artificiais em qualquer parte do céu, ao excitar átomos de sódio existentes na atmosfera a uma altitude de cerca de 90 km.

A primeira fonte de laser do ELT foi fabricada pela empresa alemã TOPTICA Projects em maio de 2021 e entregue ao ESO, onde passou agora os testes de aceitação.

Progresso das câmeras e computadores ultra rápidos

Outro componente essencial do sistema de óptica adaptativa do ELT são as chamadas câmeras com sensores de frente de onda, que atuam como os “olhos” do telescópio ao captar a luz das estrelas guia. O ELT será equipado com três tipos complementares destas câmaras, cada um com um sensor ou detector de imagem distinto, que será utilizado tanto pelo telescópio propriamente dito como pelos instrumentos científicos.

Estas câmaras são consideradas tão críticas para o funcionamento da óptica adaptativa do ELT que o ESO decidiu fazer a maior parte deste trabalho diretamente no ESO. Dois tipos de câmaras, chamadas ALICE e LISA, foram concebidas pelo ESO, enquanto o terceiro tipo de câmara, FREDA, é uma adaptação de uma câmara comercial (C-RED One) fabricada pela companhia francesa First Light Imaging e modificada pelos engenheiros do ESO para as necessidades do ESO. Além disso, o ESO desenvolveu, em colaboração com a empresa internacional Teledyne, um detector para a LISA, que estará pronto para produção no final deste ano. O design e os protótipos das três câmaras deverão estar completos no próximo ano.

Computadores especiais do ELT, chamados computadores de óptica adaptativa em tempo real, utilizarão os sinais captados pelas câmaras para calcular como é que espelhos como o M4 têm que ser deformados de modo a corrigir as distorções causadas pela turbulência da atmosfera da Terra. Um protótipo de um computador desenvolvido no ESO mostrou recentemente que é capaz de receber dados dos sensores das câmaras e transmiti-los aos atuadores que deformam o espelho em apenas algumas centenas de microssegundos.

Embora ainda estejamos alguns anos longe de ver os complexos sistemas ópticos adaptativos do ELT concluídos, esses avanços recentes mostram que um progresso significativo está sendo feito em direção à primeira luz científica em 2027. Uma vez operacional, o ELT do ESO irá mudar drasticamente o que sabemos sobre o nosso Universo e nos fará repensar nosso lugar no cosmos.

Links

Contatos

Elise Vernet
Responsible for M4 Unit at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: evernet@eso.org

Steffan Lewis
ELT Optical Control Project Manager at ESO
European Southern Observatory
Garching bei München, Alemanha
Email: slewis@eso.org

Enrico Marchetti
Wave Front Sensor Camera Development Project Manager at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: emarchet@eso.org

Nick Kornweibel
ELT Control System Project Manager at ESO
Garching bei München, Alemanha
Email: nkornwei@eso.org

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Alemanha
Tel: +49 89 3200 6670
Email: press@eso.org

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Imagens

O espelho M4
O espelho M4
O espelho M4
O espelho M4