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Biblioteca de la Universidad Complutense de Madrid

Sábado, 25 de noviembre de 2017

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La Complutense termina el ensamblaje de MEGARA, el espectrógrafo que formará parte del Gran Telescopio Canarias

Armando Gil de Paz, el investigador principal de este proyecto, explica que "el instrumento MEGARA se ha construido a partir de una serie de objetivos científicos que ha definido un equipo de más de 50 astrónomos liderados por el Grupo UCM de Astrofísica Extragaláctica e Instrumentación (GUAIX)". Entre los objetivos se incluyen, "desde el estudio de los cúmulos de estrellas en nuestra Vía Láctea hasta la emisión de la red cósmica, filamentos de gas que se piensa que conectan las galaxias y que MEGARA podría identificar por primera vez". La UCM y sus socios en el desarrollo de este instrumento, tienen tiempo garantizado para el uso de MEGARA, que además estará disponible para toda la comunidad científica española, de México y de la Universidad de Florida, como miembros fundadores del Consorcio del telescopio GTC.

 

Gil de Paz cuenta que la historia de MEGARA comienza en el año 2010, cuando el consorcio que desarrolla MEGARA respondió a la llamada para nuevos instrumentos realizada por GRANTECAN S.A., empresa responsable de la construcción y unidad Gran Telescopio Canarias (GTC). El consorcio está liderado por la Universidad Complutense de Madrid e incluye el Instituto de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE, México), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).


El diseño conceptual de MEGARA fue seleccionado como el del próximo instrumento óptico para GTC, aunque "coincidiendo con años de importantes dificultades económicas por parte de GRANTECAN, la firma de los sucesivos contratos se fue alargando en el tiempo". Finalmente en 2014 se firmaron los contratos de Diseño de Detalle y de Construcción entre la UCM y GRANTECAN, lo que dejó al "equipo con menos de 3 años por delante para completar la fabricación y pruebas del instrumento y para su instalación en GTC, todo un reto para las instituciones involucradas y para nuestro equipo humano, a todos los niveles: de tiempo, recursos y gestión".


Aparte de las instituciones públicas en MEGARA han participado una serie de empresas privadas que se han encargado de la construcción. FRACTAL, ha sido la responsable de toda la ingeniería (diseño óptico y parte mecánica del espectrógrafo) y parte de software del proyecto; AVS (Added Value Solutions S.L.) ha fabricado la rueda donde se asienta los prismas, así como el Fiber MOS, que está constituido por un sistema de 92 posicionadores robóticos; SEDI ATI y E2V son las empresas, alemana y francesa respectivamente, que han hecho las fibras; y también han colaborado AMUS, y OHARA.


De la Complutense han participado miembros del grupo GUAIX, al que pertenece Armando Gil de Paz, y que coordina el profesor Jesús Gallego, que actúa de representante de la UCM en el consorcio de MEGARA; pero también del Departamento de Informática de la Facultad de Físicas, el grupo ISCAR (Ingeniería de Sistemas, Control, Automática y Robótica), y los CAIS de Talleres de Apoyo a la Investigación de Electrónica y Mecánica que han ayudado con la parte de los armarios de control y que, de acuerdo con Antonio Verdet, técnico de laboratorio que se encarga de la puesta a punto de MEGARA, "trabajan de manera rápida y con una precisión increíble, clavada a los planos que se les facilitan". Ainhoa Sánchez Penim, project controller de MEGARA, reconoce también que "trabajan de maravilla y su labor ha permitido no tener que recurrir más a empresas externas, porque por ejemplo la parte de la electrónica de los armarios habría costado muchísimo dinero".


De hecho, el coste total, de acuerdo con Armando Gil de Paz ha sido de "6,2 millones en euros, y sumando la contribución en especie (salarios, instalaciones, equipos) serían 10 millones de euros".


La parte científica

A primera vista puede parecer un instrumento poco impactante, porque lo que se ve es una enorme cobertura estanca para que no entre suciedad ni luz exterior. Verdet aclara que "una vez que esté instalado en el GCT, el interior ya no lo va a ver nadie, salvo el personal de mantenimiento, porque el instrumento siempre funciona cerrado".


De acuerdo con Gil de Paz, la UCM, "como institución responsable del proyecto, está también encargada de la coordinación científica y cuenta con diez investigadores dentro ese equipo científico". Una de ellas es África Castillo Morales, encargada de la parte del sistema de control, quien explica que "MEGARA es un espectrógrafo que trabaja en el óptico, en el rango visible, a alta resolución, lo que le permitirá discernir velocidades muy pequeñas, tanto del movimiento del gas como del movimiento de las estrellas".


El proyecto principal para el que se utilizará se llama MEGADES, que será un estudio detallado de los discos de galaxias espirales cercanas, tanto en lo referente a su evolución espectro-fotométrica y química como a su caracterización y evolución dinámicas. Pero "MEGARA no sólo servirá para galaxias cercanas, sino que se podrán observar objetos más lejanos como cúmulos de estrellas". El espectrógrafo tiene dos modos de observación, uno de ellos con un campo muy grande "como de tres minutos y medio, donde se van a poder observar objetos que sean más extensos y cúmulos que sean muy densos, con muchas estrellas, de tal manera que se van a poder tener cien objetos en un solo disparo".


En cuatro o cinco semanas tiene que estar funcionando, y Castillo Morales asegura que el equipo técnico tendrá que probarlo entonces "contra el cielo". Aclara que aquí "las calibraciones se hacen poniendo una lámpara y observando, por ejemplo una lámpara de torio-argón y ver las líneas de emisión de ese gas, o de torio-neón.".


Los proyectos científicos que se presenten, cuando ya esté en marcha el espectrógrafo, irán a un comité especialista que evaluará y hará un ránking. "El que mejor se adecúe, que se haya explicado mejor, cuyo impacto científico sea más relevante irá el primero a la cola, y ahí se irán metiendo los proyectos según las condiciones que se requiera para cada uno". Reconoce Castillo Morales que es un sistema que gana en eficiencia, aunque quizás "se pierde esa parte romántica de ir a observar, porque no se pone el ojo en ningún sitio y ni siquiera se está en la sala de control. En la mayor parte de los casos, simplemente te mandan los datos por ftp y ya está".


Este instrumento puede estar funcionado una década o más, dependiendo de la demanda que haya ya que "es puntero ahora mismo en cuanto a modo multiobjeto, resolución espectral que se va a producir, estabilidad... Y como estará instalado en una plataforma que no se mueve, no hace falta corregir distorsiones como si se moviera o girara con el telescopio".


Hay instrumentos parecidos en otros lugares del mundo, "pero este combina la amplia versatilidad de redes de difracción, de las que tiene 18, y de las que simultáneamente se pueden utilizar hasta 11". Eso quiere decir que por la noche se pueden hacer "hasta 11 rangos de longitud de ondas diferentes y de diferentes resoluciones espaciales. Se puede centrar más en el azul, o en el rojo, o dentro del rojo incluso en un rango mucho más pequeño, pero con mucha más resolución espectral".


Por tanto este espectrógrafo se diferencia del resto "en que tiene un modo multiobjeto con un tamaño de fibra muy pequeña y la variedad de la red de difracción que se ha hecho de tal manera que la eficiencia en el azul, que suele ser siempre bastante baja, aquí es bastante buena". Explica la investigadora que "lo normal es que la luz disminuya cuando pasa por un filtro, pero aquí se han diseñado los recubrimientos con una eficiencia tan buena que casi cubre todo el rango".

Un aspecto importante para la correcta explotación científica de MEGARA es el tratamiento de los datos. Tal y como se genera la información en el detector del instrumento, es necesario tanto corregir esos datos de imperfecciones asociadas al proceso de medida, como aplicar calibraciones auxiliares que permitan convertir las medidas en datos útiles para los científicos. En este sentido Sergio Pascual Ramírez y Nicolás Cardiel López, miembros del grupo GUAIX, están trabajando en el desarrollo del software necesario para llevar realizar dicho procesado de los datos.


El Fiber MOS
El instrumento MEGARA consta de dos unidades. La primera de ellas es la denominada Fiber MOS que irá situada en un foco pequeño del GTC y que es donde se recogerá la luz mediante un total de 1267 fibras ópticas distribuidas en sus dos modos, el modo de espectroscopía de campo integral y el modo multi-objeto.


Ana Pérez, ingeniera de sistemas de la empresa Fractal, informa de que "lo que coge la luz son una serie de pequeñas lentes que hacen una conversión de la velocidad a la que se recibe la luz por parte del telescopio, para pasar de un f17, con el que habría muchas pérdidas, a un f3".


En el plano focal central hay "un mazo de fibras compacto de 567 fibras que se corresponden con una sola microlentilla y que cubren un área en el cielo de aproximadamente 11x12 segundos de arco, lo que vale para observar campos de nebulosas, objetos extensos, estrellas separadas...".


En total, en el Fiber MOS, hay 100 posicionadores. 8 se corresponden con el área circular central, "que sirven para poder sustraer el fondo cuando se hacen medidas", mientras que los otro 92 son para objetos puntuales, básicamente. Cada posicionador cuenta con un robot que tiene movimiento en rotación y de cada uno de ellos sale un conjunto de "siete fibras, cada una de 100 micras, que van dentro de tubos de 1,2 milímetros. El racimo central está compuesto por 567 fibras agrupadas también de 7 en 7".


El montaje, como asegura Ana Pérez, ha sido muy complejo, porque "cada fibra tiene su posición asignada. Aquí, en la Complutense, se han pegado las microlentillas y luego se hará el pegado de los botones en los posicionadores robóticos, entendiendo por botones las piezas metálicas donde se insertan las fibras".


En principio las fibras no deberían estropearse jamás, "pero sí podrían hacerlo los robots y aunque se han calculado tiempos de fiabilidad de veinte años, si hubiera algún problema sería viable quitar el robot, despegar la fibra, sustituir el robot y volver a ponerlo".


Por oa tanto, esta parte del instrumental "no requiere demasiado mantenimiento, más allá de fallos en las tarjetas de electrónica, porque la electrónica siempre tiene un tiempo de vida menor, pero eso también es lo más fácil de sustituir".


La parte técnica
Las fibras llegan muy protegidas desde el Fiber MOS hasta la otra parte de MEGARA, la que está oculta dentro de la carcasa. Las fibras viajan dentro de unos tubos corrugados, pero cuando llegan a un mecanismo de seudorendija se quedan "desnudas". Ese mecanismo, de acuerdo con Antonio Verdet, el técnico de laboratorio que se ha encargado de la puesta a punto de MEGARA, "tiene dos modos de operación, uno de amplio campo y otro de multiobjeto, así que en función de lo que se quiera seleccionar en el Fiber MOST también hay que seleccionar uno u otro de esos modos, algo que se hace mediante un software que manipula este sistema que es muy fino de movimiento para seleccionar un haz de fibras o el otro".


Verdet explica que las fibras pasan a un colimador que "lo que hace es poner paralelos los haces de luz y, en función de lo que se quiera observar en el cielo, los manda a unos elementos dispersivos u otros (a unos prismas), donde incide la luz que es recogida por un sensor CCD que está en la cámara de MEGARA".


Unida a esa cámara, hay una cámara-criostato que es la que enfría el sistema "para que no se generen fotones de origen térmico que pueden contaminar la observación real". La cámara-criostato debe estar al vacío, porque "si el sistema se enfría mucho, el vapor de agua se condensa en el detector y se estropea".


El criostato se rellena a mano con nitrógeno líquido y se hará igual en el GTC, aunque con una cadencia diaria mientras que en la Complutense se hace cada dos días. Este nitrógeno líquido está a 196 grados bajo cero, "pero esa no es la temperatura real del sensor CCD, sino que tiene un sistema denominado heater que lo que hace es calentar ese frío tan extremo y ponerlo en un punto que sea el óptimo para las observaciones, que es 149 kelvin (-124,15 grados centígrados). Cuando el sensor detecta un poco más de temperatura la resistencia deja de calentar, y si se enfría calienta un poco, así que está regulando constantemente en un rango de centésimas de grado".


Aparte de esa tarea de mantenimiento, el espectrógrafo necesita poco más cuidado, "aparte de monitorizarlo, que se hace a la vez que se hacen las observaciones y se ve que todo está en orden".


El transporte
Verdet y Sánchez Penim explican que se ha tardado meses en montar MEGARA, y en la segunda semana de marzo se empieza a desmontar para mandarlo a las Canarias.


Además de las docenas de personas que han participado en el montaje y desmontaje, están los miembros del equipo científico, "que son los que están preparando los casos para, una vez que el instrumento empiece a funcionar, tomar las observaciones. Este equipo lleva ya unos años preparando la llegada del instrumento al GTC y son unos cien investigadores de bastantes países".


Para transportar la cámara criostática y el colimador "se está intentando conseguir un permiso de aviación civil para poder llevarlo en avión. De México vino en avión, pero viajando en asiento, porque es tan delicado que no se pueden fiar de que vaya en una bodega y alguien tiene que acompañar el material en todo momento. Si no se consigue ese permiso, irá en barco con el resto del instrumental, con embalajes especiales hechos a medida, resistentes al agua, envasados al vacío y hasta el puerto en camiones muy protegidos".


Los motores que controlan la rueda, para girarla y poner cada una de las partes en la posición deseada, lo hacen con una precisión micrométrica. Y es tan preciso que "el hecho de desmontarla no es buena idea porque se perderían todas las referencias conseguidas, así que para evitarlo hay que quitar una de las paredes de la sala donde se ha montado y luego moverlo al exterior por la cercana puerta de emergencia". Todos los elementos ópticos sí que se desmontan, pero la mesa principal, la superior y la rueda se queda como está y se meterá en su caja enorme, lo que implica que "el despliegue logístico es bastante complicado".


Se saldrá de la Península a finales de marzo y se llegará a las Canarias antes del 31 de este mes. Desde abril comienza la fase de pruebas, y una vez que esté funcionando y operativo ya se hará cargo el telescopio del instrumento, y se podrá utilizar para observar con él.


La inauguración oficial, conocida como la "primera luz", está prevista para primeros de mayo y en ella también está invitado el rector Carlos Andradas y otras autoridades.


Por su parte, el laboratorio creado en Física y que antes era una sala de doctorandos, se va a dejar como un laboratorio de instrumentos de física avanzada, "para que en el futuro se pueda seguir trabajando en otra instrumentación como, por ejemplo, el sistema de control". Se trata, según Sánchez Penim, "de buscar un futuro para todo este know-how que ya se ha adquirido en la UCM para seguir construyendo más instrumentos".

El rector Carlos Andradas ha visitado el laboratorio de la Facultad de Físicas donde se ha ensamblado MEGARA. En la imagen posa con profesores y personal de la FacultadAntonio Verdet, técnico de laboratorio que se encarga de la puesta a punto de MEGARA, explica el funcionamiento técnico del instrumentoEl sistema de prismas de MEGARA tiene dos modos de observación, uno de espectroscopía de campo integral y el modo multi-objetoEste esquema muestra las dos partes del Gran Telescopio Canarias en las que se instalará el instrumental de MEGARAEn el Fiber Mos es donde se recogerá la luz mediante un total de 1267 fibras ópticas El rector Carlos Andradas junto al profesor Jesús Gallego durante su visita a MEGARAUn técnico de la empresa AVS trabajando en la laboriosa tarea de colocar todas las fibras del Fiber MOS en su lugarCada una de las fibras tiene un grosor de 100 micras, que van dentro de tubos de 1,2 milímetros. Luego se agrupan y viajan dentro de tubos corrugados hasta el colimador, que estará a más de 40 metros de distancia una vez que está instalado en el Gran Telescopio CanariasEl instrumental de los armarios de control lo han fabricado en los CAIS complutenses de Electrónica y Mecánica
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