Figura 1: DECam operando durante la noche, bajo la vigilancia de uno de los observadores
El instrumento que utiliza DES es la recientemente construida Dark Energy Camera (DECam), montada en el telescopio de 4 metros en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo (CTIO) en los Andes chilenos . El telescopio Blanco se construyó en los años 70 y se actualizó para albergar a DECam.
La Dark Energy Camera (DECam)
Figura 2: Modelización de DECam, mostrando todos los componentes principales de la misma: el recinto de la óptica (los anillos azules en la parte inferior izquierda), el hexápodo (estructuras dispuestas diagonalmente de color blanco, en le centro), el obturador (estructura blanca sobre el hexápodo, arriba a la derecha) y la cámara (entre las cajas rojas de la derecha).
DECam tiene varios componentes principales: cinco lentes ópticas, un sistema de posicionador y de alineamiento de hexápodo, un obturador, un conjunto de filtros de color y una cámara digital (ver Figura 2).
La primera de las lentes es la más grande de DECam, con casi un metro de diámetro y 176 kg de peso. Se trata del componente corrector óptico más grande utilizado actualmente en astronomía. DES registra imágenes usando cinco filtros, desde la longitud de onda de 400 nm a 1080 nm. Cada filtro se usa para tomar imágenes del cielo en una banda diferente de energía. Con 62 cm de diámetro, estos también son los filtros más grandes utilizados por la comunidad astronómica. El mecanismo del hexápodo es un conjunto de seis pistones operados neumáticamente que actúan para alinear con precisión los elementos ópticos entre exposición y exposición, manteniendo la cámara enfocada y las imágenes lo más nítidas posible. El obturador es un elemento que bloquea la luz incidente durante el tiempo en que no se está exponiendo.
La cámara
Figura 3: Los CCDs de DECam (en azul)..
El componente principal de la cámara es un conjunto de CCDs (instrumentos de carga acoplada) de última generación, muy similares a los de cámaras digitales convencionales pero mucho más sensibles. Los 74 CCDs de los que se compone están dispuestos en un patrón hexagonal en el plano focal de DECam (ver Figura 3), donde se registran las imágenes. Cabrían aproximadamente catorce copias de la luna llena en una única imagen (ver Figura 4). La información en los píxeles dee DECam puede leerse en menos de 30 segundos, más rápido que la mayoría de las cámaras CCDs en uso actualmente en astronomía.
Al contrario de lo que ocurre en las cámaras digitales accesibles al gran público, preparadas para tomar imágenes muy brillantes, las cámaras CCD astronómicas tienen que ser mucho más sensibles para detectar la minúscula cantidad de luz que nos llega de objetos muy débiles y/o lejanos. Buena parte de la luz de las galaxias y supernovas más lejanas ha sufrido un desplazamiento al rojo e infrarrojo, que los detectores CCD convencionales no detectan bien.
DES utiliza los CCDs desarrollados por los científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory específicamente diseñados para observar la luz rojiza de las galaxias distantes. La probabilidad de detección de ondas electromagnéticas de longitud de onda larga se incrementa cuando viaja a través de más capas de silicio, así que estos CCDs tienen un espesor diez veces superior al de los CCDs convencionales.
Ensamblaje e instalación
La construcción de DECam comenzó en 2008 y duró hasta el 2011. Se ensambló y probó en Fermilab utilizando una reproducción a escala completa de los anillos superiores del montaje del telescopio, llamados por entonces el “Simulador del Telescopio”. La cámara y todo el hardware asociado fue enviado a CTIO en una serie de remesas desde el 2010 hasta finales de 2011. El Observatorio lideró la instalación de la cámara ayudados muy activamente por el equipo de diseño y desarrollo de DECam. El procedimiento comenzó en febrero de 2012 y se completó en septiembre del mismo año. La figura 5 muestra la cámara montada en el telescopio Blanco.
Primera luz
Figura 4: Imagen de la primera luz.
La “primera luz oficial” tuvo lugar el 12 de septiembre de 2012. A los 45 minutos de la primera exposición, DECam ya estaba generando imágenes de alta calidad. La Figura 4 muestra una composición a tres colores de varias de estas primeras imágenes. DECam se comisionó entre septiembre y octubre de 2012. Se llevó a cabo después un periodo de prueba y puesta a punto denominado de “verificación científica” por parte de la colaboración DES y otros observadores de la comunidad astronómica durante el periodo de octubre a noviembre, seguido de un conjunto de pruebas adicionales por parte de DES hasta febrero de 2013. Este periodo sirvió para comisionar la cámara, recomisionar el telescopio, y verificar que ambos podrían producir imágenes con la calidad requerida.
Además de ser utilizada para el Dark Energy Survey, DECam es un instrumento del observatorio en el telescopio Blanco, lo que quiere decir está disponible para cualquier miembro de la comunidad astronómica cuando no está siendo utilizada por DES.
El telescopio Víctor M. Blanco
Figura 5: El telescopio Blanco con la cámara DECam instalada. Crédito de la foto: Reidar Hahn, Fermilab.
La construcción e instalación del telescopio Blanco se completó en 1974. Fue bautizado con su nombre actual en honor a Víctor Blanco, un astrónomo portorriqueño y antiguo director del CTIO. El telescopio consta de un espejo primario aluminizado de 4 metros de diámetro y pesa cerca 15 toneladas. La carga y peso de la estructura del Blanco son muy importantes para soportar la gran masa de DECam. El diseño de campo amplio del espejo da lugar a una de las pocas infraestructuras que hace posible la realización de cartografiados eficientes y profundos del cielo.
Figura 6: El telescopio Blanco por la noche, con el rastro de las estrellas a lo largo de la misma detrás. Foto: H.T. Diehl, Fermilab
La puerta doble en la planta baja de la cúpula del telescopio da una idea de la escala en tamaño (Figura 6). Justo al pasar al interior se encuentra una sala de control desde la que se opera la cámara y el telescopio cada noche. La base del telescopio se halla cuatro pisos más arriba. La cúpula tiene varios pisos de altura y está cubierta de placas de aluminio que reflejan la luz durante el día. Para las observaciones, una abertura estrecha y alargada se retrae después de la puesta de sol para permitir al telescopio y a la cámara ver el cielo nocturno. La cúpula rota dependiendo de hacia dónde apunte el telescopio.
El telescopio Blanco es especialmente conocido por haber sido utilizado en el descubrimiento de la aceleración cósmica en 1998, por parte de dos equipos de científicos que estudiaron supernovas en galaxias lejanas. Fue precisamente por este descubrimiento por el que en 2011 se otorgó el premio Nobel de física a Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt.
El Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo (CTIO)
Figura 7: La cima del CTIO desde el aire.
El CTIO está localizado al este de la ciudad de La Serena, en la costa del Pacífico de Chile a unos 460 km al norte de Santiago. El observatorio se encuentra en la cima de una montaña en los Andes chilenos a 2200 metros de altura. Esta región es extremadamente seca y tiene noches claras necesarias para hacer imágenes del espacio profundo. Asimismo, está suficientemente alejado de las ciudades y pueblos para evitar la contaminación lumínica.
La infraestructura está operada por la Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) y financiado por la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos a través del National Observational Astronomy Organization (NOAO). El viaje hasta la cima suele durar unas dos horas desde el aeropuerto de La Serena hasta el complejo AURA, donde residen, trabajan y colaboran los astrónomos que trabajan en CTIO o los telescopios Gemini.
Existen varias infraestructuras en el CTIO que cubren diversas facetas de la astronomía, astrofísica y cosmología. Astrónomos de todo el mundo las usan, junto con DECam. Duermen en apartamentos en la cima durante el día, y almuerzan lo que les preparan los jefes de cocina chilenos del observatorio. El personal del CTIO lo componen también especialistas con amplia experiencia en el mantenimiento y operación de los telescopios. Finalmente, en la montaña hay “vecinos” que comparten la cima con el personal y los astrónomos: zorros, vizcachas, chinchillas y muchos otros pequeños animales.
Figura 8: Una vizcacha en las colinas justo bajo la cima.