Proyecto I+D+I: Participación del Instituto de Astrofísica de Canarias en el desarrollo del instrumento HARMONI para el Telescopio Extremadamente Grande: Fase-D1

HARMONI será uno de los primeros instrumentos que recibirán la luz que entre al que será el telescopio óptico e infrarrojo más grande del mundo: el Extremely Large Telescope. El ELT, por sus siglas in inglés, tendrá 39 metros de diámetro y se encuentra actualmente en construcción en Cerro Armazones, Chile. La construcción y puesta en marcha del ELT constituye el mayor reto del European Southern Observatory (ESO), organización a la que España pertenece desde 2006. El diseño y ensamblaje de HARMONI se realiza en el marco de un consorcio internacional liderado por la Universidad de Oxford y del que forman parte instituciones de Reino Unido, Francia, Estados Unidos y España; entre ellas, el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

HARMONI permitirá obtener información espectral en más de 30.000 posiciones espaciales distribuidas en un campo de visión rectangular. Será un instrumento muy versátil: el observador podrá elegir entre cuatro escalas espaciales y tres resoluciones espectrales para seleccionar la configuración que mejor se adapte a su estudio científico. Además, HARMONI podrá combinarse (o no) con sistemas de óptica adaptativa, tanto del tipo SCAO (Single-Conjugated Adaptive Optics) como LTAO (Laser Tomography Adaptive Optics). La óptica adaptativa compensa los efectos de la turbulencia atmosférica sobre la luz de los astros observados, permitiendo así obtener datos de alta resolución espacial. Para evitar que el calor emitido en el entorno del instrumento interfiera en la observación del Universo en el rango espectral óptico, pero, sobre todo, en el infrarrojo, HARMONI operará a temperaturas criogénicas. Todas estas prestaciones punteras convierten a HARMONI en un instrumento de última generación que contribuirá a responder muchas de las preguntas abiertas en varias áreas de la Astrofísica. Como ejemplos, se puede destacar que HARMONI permitirá obtener imágenes y caracterizar exoplanetas, estudiar las poblaciones de estrellas en galaxias como Centaurus A, analizar galaxias muy lejanas con el detalle que hoy estudiamos las galaxias del Universo cercano o detectar las primeras estrellas formadas en el Universo.

Figura 1
Figura 1. Representación por ordenador de HARMONI, mostrando apariencia que tendrá el instrumento una vez esté instalado en el ELT. (Crédito: ESO)

La Agencia Estatal de Investigación financia parcialmente la participación del Instituto de Astrofísica de Canarias en el desarrollo tecnológico y científico de HARMONI. El IAC ha trabajado activamente en todas las fases evolutivas del instrumento, desde la propuesta inicial a ESO, hasta la etapa de diseño final, momento en el que nos encontramos actualmente. Es ahora cuando se consolidan los diseños de las diferentes partes para, a continuación, dar paso a su fabricación. La contribución de la industria española de la ciencia será fundamental para completar este periodo.

Desde el punto de vista técnico, el IAC es responsable de desarrollar el sistema de control electrónico de todos los módulos que conforman el instrumento. HARMONI contará con más de 300 motores y sensores cuya arquitectura de control está en manos de la sección de ingeniería del IAC. Parte de estos mecanismos deberán moverse con gran precisión a temperaturas criogénicas, incluso inferiores a los cien grados Kelvin. Además, el IAC diseña y construye la pre-óptica de HARMONI: un sistema óptico complejo encargado de acondicionar la luz recibida por el telescopio para que pueda ser analizada por el instrumento, de acuerdo con las necesidades científicas. La pre-óptica, que medirá más de dos metros de diámetro y superará los 200 kilogramos de peso, estará en el interior de un gran criostato en condiciones de alto vacío y criogenia.

Figura 2
Figura 2. Ilustración del subsistema de la pre-óptica en el interior del dispositivo en el que se realizarán las pruebas de alto vacío y criogenia para verificar el funcionamiento. La traza azul marca el recorrido de la luz a lo largo de los distintos elementos que conforman la pre-óptica que desarrolla el IAC para HARMONI. Crédito: Elvio Hernández (Departamento de Mecánica-IAC)

Desde el punto de vista científico, en el IAC se definen y preparan los casos científicos para el aprovechamiento de HARMONI, a la vez que se utilizan simulaciones para crear y poner a prueba los paquetes informáticos de tratamiento y análisis de los datos del instrumento. Este trabajo, que el IAC realiza en colaboración con el resto de las instituciones del consorcio que construye HARMONI, permitirá a la comunidad astrofísica internacional, y en particular a la española, explotar el potencial sin precedentes de ELT+HARMONI desde el primer día de observación: la primera luz.

A corto y medio plazo, la participación en el desarrollo de HARMONI supone la adquisición de gran experiencia en el diseño y fabricación de instrumentación criogénica. Estamos por tanto posicionándonos a la vanguardia de la industria de construcción de mecanismos para instrumentación astrofísica que trabajan a muy bajas temperaturas. Otro gran beneficio es el potencial formativo, tanto científico como tecnológico, de un proyecto de desarrollo instrumental tan grande y complejo: más de una decena de estudiantes de grado y máster ya han realizado PID2019-107010GB-I00-Vídeo.mp4 prácticas vinculadas a este proyecto en el IAC. Pero sin duda, la principal recompensa al gran esfuerzo económico y humano que está siendo esta participación la obtendremos dentro de pocos años, cuando nuestra comunidad científica sea protagonista de la gran revolución en Astrofísica que supondrá la puesta en marcha del ELT y su espectrógrafo de primera luz, HARMONI.

Investigador/a principal - Acerca del autor/a
Begoña García Lorenzo

Begoña García Lorenzo, con una experiencia de más de veinte años en investigación astrofísica y desarrollo de instrumentación. Doctora en Astrofísica por la Universidad de La Laguna, su tesis doctoral (1997) fue la primera en España en aplicar técnicas de campo integral con fibras ópticas en Astrofísica. Trabajó durante cinco años como astrónoma de soporte para los telescopios del Grupo Isaac Newton del Roque de los Muchachos. En 2003 se incorporó al grupo de alta resolución y calidad del cielo el IAC, consiguiendo en 2007 un contrato del programa Ramón y Cajal. En 2012 se consolidó como Científica Titular, pasando a Investigadora Científica en 2021. Entre 2014 y 2018 ocupó el cargo de Coordinadora del Área de Instrumentación del IAC. Begoña ha desarrollado proyectos de investigación en formación y evolución de galaxias, así como en óptica atmosférica aplicada a instrumentación de alta resolución espacial.

Junto con Begoña, el desarrollo y construcción de HARMONI implica a un equipo multidisciplinar en investigación e ingeniería, incluyendo profesionales tanto de distintas especialidades como en diferentes etapas de su carrera tecnológica o académica.