En busca de las estrellas con Hexagon

Un equipo de medición avanzada es la clave para desvelar los misterios del universo

Creado en 1995, el Centro de investigación astrofísica de Lyon (CRAL) es un laboratorio de investigación fundamental para los principales observatorios que se especializan en astrofísica y el desarrollo de instrumentos. Diversos equipos de ópticos, mecánicos, gestores de proyecto, científicos de computación e ingenieros electrónicos en CRAL están fabricando espectógrafos para equipar grandes telescopios de investigación en todo el mundo. El centro funciona bajo tres cuerpos de supervisión: la Universidad de Lyon; el Centro nacional de investigación científica (CNRS); y la Escuela normal superior (ENS) de Lyon.

Cuando un investigador en astrofísica desea explorar una galaxia lejana, descubrir la composición química de las galaxias o encontrar exoplanetas, generalmente un telescopio promedio no es suficientemente largo: debemos agregar un “ojo inteligente” al mismo. Para detectar, por ejemplo, la luz proveniente de galaxias jóvenes, las líneas características del átomo de hidrógeno deben ser aisladas, lo cual requiere de un espectógrafo que pueda dispersar la luz en las longitudes de onda que la
componen para un análisis posterior.

CRAL-SpectograpgCombinaciones tecnológicas innovadoras

Esta tarea también exige un conocimiento avanzado de la posición del objeto. Por ello el CRAL ha desarrollado el concepto del campo espectográfico integral o espectógrafo 3D, simultáneamente un generador de imágenes y un espectógrafo. Cuando se acepte una licitación para tal instrumento por organismos internacionales de investigación, el departamento de instrumentación de CRALs supervisará la construcción de una parte de él, en estrecha colaboración con el equipo de investigadores que definen sus necesidades.

Florence Laurent, ingeniera de diseño óptico y jefe del equipo de instrumentación de CRAL, explica más adelante: “En astronomía, la luz que se registra por el telescopio pasa a través de las capas de la atmósfera y los fotones recuperados se alteran Hace unos cuantos años, las imágenes recibidas eran degradadas de forma natural y no era necesario contar con instrumentos muy precisos. Desde la década del 2000, los sistemas ópticos adaptables han corregido la alteraciones atmosféricas en tiempo real y permiten obtener imágenes mucho más a detalle con una mejor resolución. De esta forma los ingenieros han creado instumentos mucho más alineados. Esta alineación requiere de instrumentos metrológicos adecuados y eficientes.

“Nuestro primer instrumento de medición fue un brazo de medición ROMER Sigma, seguido por un sensor 3D TESA en 2008 durante el proyecto MUSE . El brazo se usó para alinear objetos uno con otro y para medir sistemas pequeños. El sensor TESA se usó para la comprobación de soportes mecánicos, fabricados con una precisión de 10 micras. Pero las limitaciones del volumen del instrumento completamente ensamblado (el instrumento más grande jamás instalado en un telescopio) requirió de una máquina de medición de mayor escala.”
CRAL_on-site-in-Chile
Mayor escala con un Láser Tracker

“Nuestros colegas del Instituto de Astrofísica en Göttingen tenían un láser tracker de Hexagon que nos prestaron. Esto nos permitió usar un Leica Absolute Tracker, ambos en el CRAL y localizados en Chile, en la misma plataforma del telecopio, para garantizar la posición del instrumento con relación al telescopio,” recuerda la ingeniera Laurent.

Actualmente CRAL está trabajando en el proyecto 4MOST como parte de un consorcio de 13 Institutos europeos dirigidos por el Instituto Leibniz para Astrofísica en Potsdam, Alemania. El instrumento 4MOST es un espectógrafo multifibra de campo amplio para el telescopio VISTA del Observatorio Europeo Austral (ESO) en el desierto de Atacama en Chile.

Este espectógrafo descompone la luz que llega desde una estrella o galaxia en longitudes de onda componentes y puede detectar las subestructuras químicas y cinemáticas en el halo estelar, protuberancia y discos delgados y gruesos de la Vía Láctea, permitiendo analizar los orígenes de la galaxia. Actualmente el proyecto 4MOST está en su fase de
fabricación con el inicio de operaciones científicas planeadas para 2022.

Despúes de recibir las especificaciones científicas, CRAL, que está llevando a cabo la construcción de dos espectógrafos de baja resolución del instrumento 4MOST, primero dedicará dos años a estudios preliminares del instrumento: planos ópticos, mecánicos y electrónicos, para evaluar el concepto. Serán necesarios dos años más para completar los planes finales. Una vez que reciban luz verde, el equipo tendrá los componentes ópticos y mecánicos fabricados. Todas las piezas ordenadas serán centralizada en el sitio de Lyon para su ensamblado y alineación, tareas cruciales como el posicionamiento de un espejo en relación a las interfaces. Esta alienación debe, para algunos elementos, ser extremadamente precisa, en el rango de 10 micras.
Los instrumentos y las soluciones de Hexagon nos ofrecen un rango completo que resulta esencial en nuestra investigación.” CRAL_Arm-Measurement
Alta precisión sencilla

“Una solución metrológica completa que combina un brazo de medición con un láser tracker resultaba ideal y ofrecía la flexibilidad necesaria que se requería y que necesitaremos. La adquisición de esta colección fue posible gracias al financiamiento del LABEX Lyon Institute of Origins (LIO) . Se intercambió nuestro brazo de medición obsoleto por un nuevo Absolute Arm y también se adquirió un Leica Absolute Tracker AT403.

Nuestros equipos de medición resultaron funcionales de inmeditato y nos permitieron comenzar nuestras tareas
muy rápidamente. Las tolerancias necesarias fueron parte de las especificaciones y la precisión de 11.5 micras del Absolute Arm 85 Series era excatamente lo que buscábamos. La ergonomía del nuevo brazo hizo placentero su uso: está muy bien equiibrado y ofrece una excelente accesibilidad a nuestros objetivos de medición. Sus conexiones USB y WiFi también son muy convenientes.

“La importación altamente visual de datos CAD usando SpatialAnalyzer es una gran ventaja y ofrece informes claros, rápidos y sencillos. Las diversas opciones posibles durante la configuración del nuevo brazo también resultaron de gran utilidad. Se capacitó a cinco empleados en dos sesiones, lo cual nos permitió usar el brazo entre ellas y obtener respuestas concretas y especializadas para nuestras solicitudes.”

Los problemas modernos requieren soluciones modernas

CRAL_Measurement-SetupEl equipo técnico de CRAL también está trabajando en el estudio del instrumento HARMONI dentro del proyecto Extremely Large Telescope (ELT) . Este instrumento tiene la capacidad de ver en el infrarrojo, donde “todo radía”. Para evitar ver solo la reflexión de los componentes mecánicos y ópticos del instrumento durante la exploración de las galaxias, la temperatura del instrumento debe reducirse a 130 grados Kelvin: menos 143 grados Celsius. Este descenso de temperatura debe llevarse a cabo en diversos pasos, el primero de los cuales consiste en crear un vacío (para evitar el congelamiento). Por lo tanto, el instrumento debe colocarse en un criostato, el cual efectúa mediciones metrológicas técnicamente muy complejas con instrumentos de medición tradicionales (perpendicularidad del láser, parámetro de coeficiente para compensar la deformación provocada por la ventana, etc.).

Para evitar estos problemas con herramientas de metrología tradicional, CRAL optó por la fotogrametría al desarrollar un periscopio especial. Este desarrollo se lleva a cabo usando AICON DPA Series que ha sido modificado por el equipo técnico.

“cada proyecto nos permite mejorar nuestros procesos de medición y trabajar con nuestras máquinas de forma más eficiente. La portabilidad del láser tracker nos permite, por ejemplo, comprobar directamente con nuestros proveedores. La combinación del Absolute Arm con el láser tracker será operacional muy pronto y nos ofrecerá un ahorro en tiempo real en la instalación de, por ejemplo, las referencias el brazo,” explicó Laurent.



1 El MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer) es un espectógrafo 3D de segunda generación de amplio campo que funciona en el rango de la longitud de onda visible desarrollado por el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral. MUSE fue diseñado para explorar el espacio en tres dimensiones (ubicación y distancia) y detectar las galaxias más jóvenes. Se usó por
primera vez en el VLT el 31 de enero de 2014.

2 Los autores agardecen al LABEX Lyon Institute of Origins (ANR-10-LABX-0066) de la Unviersidad de Lyon por su apoyo financiero como parte del programa "Investissements d'Avenir" (ANR-11-IDEX-0007) del gobierno francés, el cual es operado por la Agencia de investigación nacional (ANR).

3 El Telescopio gigante europeo (Telescopio extremadamente grande) es un telescopio terrestre que forma parte de luna serie de tres telescopios gigantes en construcción y que están programados para comenzar a funcionar en 2025. Construido por el observatorio Europeo Austral (ESO), permitirá obtener grandes avances en el campo de la astronomía gracias a un espejo primario que tiene un diámetro de 39 metros. 

Case Study: Centre De Recherche Astrophysique De Lyon

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