Desenho Óptico Conceitual do Espectrógrafo Astronômico e Cosmológico de Múltiplos Objetos do Telescópio Gigante de Magalhães

Autor Rafael Alves de Souza Ribeiro
Orientador Claudia Lucia Mendes de Oliveira
Tipo de programa Doutorado
Ano da defesa 2020
Palavras chave desenho óptico
espectrógrafo
GMACS
GMT
instrumentação
Departamento Astronomia
Resumo

Esta tese está inserida no contexto da área de instrumentação óptica aplicada aos Telescópios Extremamente Grandes (Extreme Large Telescopes, ELTs). Ela apresenta o desenvolvimento do design óptico referente à fase conceitual do Espectrógrafo Astronômico e Cosmológico de Múltiplos Objetos do Telescópio Gigante de Magalhães (Giant Magellan Telescope Multi-Object Astronomical and Cosmological Spectrograph, GMACS), realizada durante os anos de 2015 a 2020. A próxima geração de telescópios, os ELTs, prevista para o final da década de 2020 e o início da próxima década, fornecerá à comunidade científica, juntamente com o Telescópio Espacial James Webb (James Webb Space Telescope, JWST) e Telescópios de Survey, como o Observatório Vera C. Rubin, um conjunto de instrumentos com recursos sem precedentes para aplicação em diversas áreas da astronomia, tais como estudos da formação e evolução de sistemas planetários, dinâmica e evolução de galáxias, caracterização de exoplanetas e reionização. Entre os ELTs em desenvolvimento, o primeiro será o Telescópio Gigante de Magalhães (Giant Magellan Telescope, GMT), previsto para o final da década de 2020. O GMT é um telescópio óptico gregoriano com área de coleta efetiva de 368 m² atualmente em construção no nordeste de La Serena, Chile, no Observatório de Las Campanas. Como integrante dos instrumentos selecionados para primeira luz, um Espectrógrafo Multi-Objeto (Multi-Object Spectrograph, MOS) óptico de amplo campo de visão e resolução moderada demonstrou ser essencial para atender a objetivos como o estudo da formação de estrelas, de populações estelares e da maioria das ciências extragalácticas. Esta pesquisa está inserida no contexto das atividades de desenvolvimento do sistema óptico desse instrumento, o GMACS. Elas consistiram em: (i) revisão conceitual de espectrógrafos ópticos baseados em rede de difração de fase no volume (Volume Phase Holographic, VPH) de baixa a média resolução para ELTs, da perspectiva do design óptico; (ii) revisão dos atuais MOS com especificações similares ao GMACS, a fim de correlacionar as soluções de design adotadas com seus requisitos e desafios técnicos; (iii) descrição detalhada da metodologia e das ferramentas que desenvolvemos para o design, a modelagem e a análise óptica; (iv) apresentação dos resultados na revisão conceitual realizada em 2019, baseado no escopo referente ao redesign solicitado pelo GMTO por meio da proposta GMT-SOW-01091 de 2016 e seu anexo; e (v) apresentação de conclusões e direcionamentos para as etapas futuras do projeto óptico. O desenho óptico conceitual proposto é um espectrógrafo de dois canais, baseado em redes VPH transmissão como elemento dispersivo, cobertura espectral de 320 nm a 1.000 nm com o alta eficiência (incluindo na região ultravioleta de 320 nm a 350 nm), campo de visada relativamente amplo de aproximadamente 7.5 em diâmetro, poder resolvente de 500 a 6.000 e resolução de aproximadamente 8.5 Å a 0,7 Å para uma fenda padrão de 0,7 de largura. O sistema óptico é composto por um colimador 2200 mm f/8.2 refrativo (com pupila de saída de 270 mm de diâmetro) e por duas câmeras 594 mm f/2.2 refrativas, otimizadas nas regiões de 320 nm a 600 nm e 550 nm a 1000 nm, resultando no maior étendue para um único MOS óptico da atualidade. Dentre os dados de desempenho optomecânicos obtidos, destaca-se a solução alcançada para as deformações mecânicas geradas pela variação do vetor de gravidade da estrutura atual do GMACS, que afetam a estabilidade espectral e a qualidade da imagem. A metodologia desenvolvida nesta pesquisa para a integração da análise de elementos finitos e o software de design óptico Zemax mostrou que a utilização sincronizada de dois compensadores ativos em cada canal do GMACS (um localizado no grupo colimador, para ajuste de foco, e outro no grupo da câmera, para foco fino) pode compensar satisfatoriamente esses efeitos, satisfazendo os requisitos de estabilidade da imagem. Por fim, cabe ressaltar que os resultados desta pesquisa foram cruciais para direcionar o progresso de outras áreas do projeto e decisivos para o sucesso do instrumento.

Anexo RafaelRibeiroGMACSOpticalConceptualDesignThesis.pdf