Un ojo de 30 metros, el futuro de la astronomía óptica/infrarroja

Título: The Thirty Meter Telescope International Observatory facilitating transformative astrophysical science
Autores: Warren Skidmore, Gadiyara Chakrapani Anupama & Raghunathan Srianand
Institución del primer autor: Thirty Meter Telescope International Observatory, Pasadena, CA 91124, USA
Estado: Publicado en Current Science

Se tiene contemplado que para el 2027 el cielo del hemisferio norte¹ contará con un colosal telescopio de 30 metros de diámetro (TMT, por sus siglas en Inglés) cuya misión es atacar los problemas de todas las áreas de la astronomía en las longitudes de onda ópticas y del infrarrojo cercano. Su enorme área colectora (con ayuda de un sistema de óptica adaptativa) permitirá obtener imágenes hasta doce veces más nítidas que las tomadas por el Telescopio Espacial Hubble (HST, por sus siglas en Inglés).

En el 2003 se fundó la corporación que lleva a cabo el proyecto, en el que colaboran el Instituto de Tecnología de California (Caltech), los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS), los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia China de Ciencias (NAOC), el Departamento de Ciencia y Tecnología de India y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC), teniendo como miembro asociado a la asociación de universidades para investigación de la astronomía (AURA) y como principal patrocinador a la fundación Gordon & Betty Moore. 

Descripción del telescopio

Representación en 3D del Telescopio de Treinta Metros (TMT) apuntando verticalmente adentro de su domo. Se observa toda la estructura del telescopio. Los instrumentos científicos están montados en dos plataformas Nasmyth que rodean al telescopio. También se muestra una plataforma que soporta al sistema de manejo del espejo primario, y la plataforma vertical de servicio para acceder a los espejos secundario y terciario. Crédito: M3 Engineering (www.tmt.org)

El sistema óptico del TMT consta de tres espejos. El espejo primario tiene 30 metros de diámetro y está formado por 492 sub-espejos hexagonales (cada uno de aproximadamente 1.44 metros entre esquinas), con separaciones de tan sólo 2.2 mm. Éste refleja la luz hacia un espejo secundario con forma circular y de 3.1 m de diámetro. A su vez, éste dirige la luz hacia el espejo terciario, con forma elíptica y dimensiones de 3.5 × 2.5 metros por lado. Este último se localiza en el centro del espejo primario y se utiliza para dirigir la luz del telescopio hacia los instrumentos, localizados en las plataformas Nasmyth.

En el momento de la primera luz, el TMT contará con un sistema de óptica adaptativa que permitirá una corrección de alta calidad en un campo de visión mayor a dos minutos de arco. En comparación con los telescopios existentes de 8 metros, ¡este sistema reduce en un factor de 200 el tiempo requerido para alcanzar cierta señal a ruido! Aunque ya se cuenta con planes para desarrollar siete instrumentos, sólo se contemplan tres de ellos dentro de la construcción del telescopio para funcionar en la primera luz, estos son:

La ciencia del TMT

El TMT permitirá revolucionar estudios de galaxias cercanas, como es el caso de Andrómeda (M31) en esta imagen. Izquierda: Imagen composición de tres filtros mostrando la capacidad actual de la cámara ACS del HST. Derecha. Imagen simulada basada en nuestro conocimiento de la región nuclear de Andrómeda, como se observará al combinar imágenes tomadas con los filtros Z, J y K del instrumento IRIS del TMT utilizando el sistema de óptica adaptativa. Así se demuestra que IRIS/TMT proveerán la sensibilidad y resolución espacial necesarias para comprender la dinámica, población estelar y el agujero negro súper masivo del centro de Andrómeda. Crédito: Reporte de los Casos Científicos del TMT 2015.

A continuación se presentan algunas de las preguntas a las que el TMT buscará respuesta, así como ejemplos de los procedimientos para encontrarlas.

¿Cuál es la naturaleza de la material y la energía oscura? –> Capturando imágenes con suficiente resolución espacial de estrellas y galaxias amplificadas gravitacionalmente por galaxias (o cúmulos de galaxias en nuestro campo de visión) y con las que se puedan detectar variaciones en la distribución espacial de la materia oscura (en el objeto que provoca el efecto de lente gravitacional) a escalas espaciales jamás antes alcanzadas. Esto es, como se explica en este astrobito, porque la distribución espacial de materia oscura en escalas espaciales pequeñas dependen de las propiedades de las partículas de la materia oscura, es decir, partículas tibias vs. frías, y el cómo las partículas de materia oscura interacciona consigo misma  y con la materia bariónica común.

¿Las constantes físicas fundamentales evolucionan o son fijas? –> Obteniendo mediciones con alta señal a ruido de conjuntos de líneas de absorción de elementos pesados para más cuásares lejanos (z > 2.5).  Estas líneas se originan de transiciones con diferentes sensibilidades a la constante de estructura fina α, de la cual existe un debate sobre si ésta ha cambiado a lo largo del tiempo. Más y mejores mediciones ayudarán a analizar mejor las posibles variaciones de esta constante.

¿Cómo evolucionaron las primeras galaxias? –> Estudiando imágenes y espectros de poblaciones estelares resueltas en galaxias enanas cercanas, que permitan analizar la estudiar la naturaleza estocástica del ensamblaje de galaxias a partir de galaxias más pequeñas.

¿Cómo se desarrolla el enriquecimiento químico del Universo?–>Detectando moléculas formadas por los metales eyectados por explosiones de supernovas generadas por estrellas de ~150 masas solares que se encuentran a corrimientos al rojo z~6, las cuales son las principales responsables por el enriquecimiento químico del Universo temprano.

¿Cómo se relacionan lo agujeros negros con las propiedades de sus galaxias anfitrionas? –> Midiendo (al límite de difracción del TMT) masa de los agujeros negros súper masivos y las propiedades de la galaxia anfitrionas a distancias hasta 20 veces más lejos de lo que se ha realizado el día de hoy, y con observaciones de agujeros negros hasta 10 veces menos masivos de los observados hasta hoy en galaxias más pequeñas, incrementando en un factor de 1000 el número de pares de objetos estudiados. 

¿Cuáles son los procesos de formación estelar y planetaria?  –> Midiendo las distribuciones de masa de estrellas en regiones de formación estelar en una variedad de galaxias vecinas con diferentes tipos morfológicos.

¿Cuáles son las características de los planetas extra-solares y de la vida en otros lugares del Universo?–> Con observaciones de alto contraste, sensibilidad y resolución espacial se podrán medir los diminutos cambios de luz estelar ocasionados por los tránsitos planetarios alrededor de la estrella huésped.

La gran potencia de este colosal telescopio y la variedad de problemas científicos que abordará, así como la sinergia que desarrolle con otros grandes telescopios actuales y del futuro como son el Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos, el Radiotelescopio SKA, el Gran Telescopio Milimétrico y/o la colaboración LIGO sin lugar a dudas marcarán un antes y después en la astrofísica.

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¹Actualmente está decidiendo dónde se construirá el TMT, si en el observatorio Mauna Kea (Hawaii) o en el del Roque de los Muchachos (España).