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El instrumento NISP de Euclid listo para obtener un mapa tridimensional del universo hasta sus galaxias más lejanas

July 9, 2020

La misión Euclid de la Agencia Europea del Espacio (ESA), cuyo objetivo es el estudio de más de mil millones de galaxias, está más cerca de su lanzamiento. La misión acaba de alcanzar un importante hito: la finalización de sus dos instrumentos después de su compleja fabricación y verificación. Uno de sus dos instrumentos, el espectrofotómetro de infrarrojo cercano (NISP, por sus siglas en inglés), es un instrumento complejo y muy eficiente, cuya construcción ha estado coordinada por Francia, con colaboraciones de Italia, Alemania, España, Dinamarca, Noruega y los Estados Unidos de América.

Euclid NISP

La misión Euclid de la Agencia Europea del Espacio (ESA), cuyo objetivo es el estudio de más de mil millones de galaxias, está más cerca de su lanzamiento. La misión acaba de alcanzar un importante hito: la finalización de sus dos instrumentos después de su compleja fabricación y verificación. Uno de sus dos instrumentos, el espectrofotómetro de infrarrojo cercano (NISP, por sus siglas en inglés), es un instrumento complejo y muy eficiente, cuya construcción ha estado coordinada por Francia, con colaboraciones de Italia, Alemania, España, Dinamarca, Noruega y los Estados Unidos de América.

Cuando el satélite Euclid sea lanzado desde la Guayana Francesa en 2022, el Instrumento NISP iluminará la mayor cámara infrarroja de gran campo jamás lanzada al espacio y proporcionará la fotometría en el infrarrojo cercano y espectros de decenas de millones de galaxias lejanas, proporcionando una descripción tridimensional detallada del universo y su evolución en función del tiempo.

Euclid NISP
Conjunto de detectores de NISP que muestra el mosaico de 16 detectores que componen el plano focal del infrarrojo cercano y que recogen la luz de los filtros infrarrojos cercanos o grismas. Credit: ESA

Euclid analizará la distribución tridimensional de las galaxias y la materia oscura y proporcionará un mapa del universo que permitirá determinar su geometría global y hacer medidas precisas de las misteriosas materia y energía oscura, que son los componentes más abundantes del Cosmos. Nadie sabe todavía que es la energía oscura y Euclid será la herramienta más poderosa para que los cosmólogos y astrónomos puedan averiguarlo. El Dr. Yannick Mellier (Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS/Sorbonne Université y CEA/IRFU, Saclay), líder del consorcio Euclid, compuesto por 1.500 personas y del cual el instrumento NISP es parte, ha dicho: “Euclid revolucionará nuestro conocimiento del universo proporcionando las medidas más precisas de la materia y la energía oscuras, averiguando si la teoría de la relatividad general de Einstein necesita modificaciones, midiendo la masa de los neutrinos y explorando los detalles de la evolución de las galaxias”. Euclid dispone de un telescopio con un espejo de 1,2 metros de diámetro que está diseñado para trabajar con luz visible e infrarroja. Captará la luz de objetos cosmológicos lejanos que se observará con el NISP y un segundo instrumento, el Instrumento Visible (VIS), los dos trabajando en paralelo y observando exactamente la misma región del cielo en cada exposición del telescopio. El NISP está compuesto por varios subsistemas que han sido diseñados, construidos y verificados por un equipo de astrónomos e ingenieros de varios laboratorios del Consorcio Euclid, mayoritariamente europeos (Alemania, Dinamarca, España Francia, Italia y Noruega) y la NASA/JPL (USA). La producción del NISP ha sido liderada por el Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM, Francia) y consiste en tres ensamblajes: el sistema de detectores, las unidades de electrónica de procesamiento y control y el ensamblaje opto-mecánico operado a 130 K y que contiene la estructura principal, el ensamblaje óptico de lentes correctoras y de focalización la rueda de grismas y la rueda de filtros (FWA).

Euclid NISP
Modelo de vuelo de NISP durante la prueba final de desempeño en vacío Credit: ESA

La FWA contiene los filtros infrarrojos de banda ancha (Y, J y H) y es la responsable de posicionarlos de forma muy precisa en el camino óptico del NISP. Tiene que operar a temperaturas criogénicas de 130 K (unos 140 grados centígrados bajo cero) y es un elemento crítico ya que contiene partes móviles que tienen que posicionar los filtros sin error ni fallo en el satélite, que operará a 1.5 millones de kilómetros de la Tierra. El equipo de Barcelona, compuesto por el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya - Institute of Space Science (IEEC-ICE-CSIC) y financiado por el Ministerio de Economía y Competividad (MINECO) es el responsable de su diseño, construcción, ensamblaje y verificación. El Dr. Cristóbal Padilla (IFAE), líder de la Rueda de Filtros (FWA) del NISP en el grupo de Barcelona, ha dicho: “Ha sido una colaboración excelente entre los grupos del IFAE y el IEEC-ICE para construir la rueda de Filtros (FWA). Hemos trabajado como un solo grupo en un trabajo de diseño y simulación termo-mecánica, fabricación de piezas metálicas de precisiones increíbles, y el proceso de ensamblaje en sala blanca de los elementos ópticos. Nuestros científicos e ingenieros han ideado formas de verificación novedosas y hemos hecho la mayoría de las verificaciones en nuestros laboratorios, construyendo los equipos necesarios para realizarlos en condiciones de operación (a 130K de temperatura). Esto ha hecho que, después de su integración en el NISP, el FWA ofrece un rendimiento por encima de las especificaciones requeridas. Ahora nos estamos concentrando en preparar las herramientas científicas y de software para la explotación científica de los datos de Euclid”. Ahora que los instrumentos han sido entregados a la ESA, Thales Alenia Space y Airbus Defense and Space, se integrarán primero con el telescopio y después con el resto del módulo de carga útil y el satélite, lo cual llevará varios meses para asegurar que todos los elementos estén perfectamente alineados y se puedan operar electrónicamente. El Dr. Francisco Castander (IEEC, ICE-CSIC) comenta: “Es una gran satisfacción haber producido la rueda de filtros que una vez integrada en el instrumento da unas prestaciones mejores de las esperadas. Todos en el equipo estamos ansiosos de que el satélite se lance en un par de años y podamos contemplar las imágenes tomadas con NISP y nuestra rueda de filtros, para poder así escudriñar los secretos del universo” Ha sido un largo viaje para llegar hasta aquí. Euclid se seleccionó para su implementación en 2011, después de casi cinco años de estudios. Aunque todavía queda mucho trabajo duro y varias pruebas por delante, la entrega de los instrumentos y el telescopio significa que el satélite se está empezando a ensamblar.

Acerca de Euclid

Euclid es una misión espacial de clase media de la ESA en el programa de astronomía y astrofísica. Usando técnicas de lentes gravitacionales, que miden las distorsiones causadas por la materia en imágenes de las galaxias lejanas, y oscilaciones acústicas bariónicas, basadas en las medidas de agrupaciones de galaxias, la misión obtendrá una imagen tridimensional de la evolución de la distribución de la materia oscura y la materia ordinaria (bariónica) del cosmos. Esto permitirá a los científicos reconstruir la evolución del universo desde sus estadios iniciales con un nivel de detalle sin precedentes y estimar su aceleración causada por la misteriosa energía oscura.

ESA seleccionó Thales Alena Space como el principal contratista para la construcción del satélite y sus módulos de servicio, con Airbus Defense and Space para desarrollar la carga útil, incluido el telescopio. Euclid está compuesto por dos instrumentos: el instrumento del visible (VIS) y el espectrofotómetro de infrarrojo cercano (NISP). El consorcio Euclid es una colaboración de científicos, ingenieros y responsables financiados por las agencias nacionales de investigación, con responsabilidades en la definición de los objetivos científicos de la misión, y la provisión de los instrumentos científicos y el procesamiento de datos. El Instrumento VIS se ha construido por un consorcio de instituciones nacionales lideradas por UCL Mullard Space Science Laboratory (MSSL), en el Reino Unido. El instrumento NISP se ha construido por un consorcio de instituciones nacionales lideradas por el Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) en Francia.

Detalles más técnicos

El NISP se ha diseñado, construido y verificado bajo el liderazgo del Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM, Francia). El instrumento consiste en tres ensamblajes principales: El ensamblaje opto-mecánico (refrigerado a 130K), compuesto por: Una estructura de carburo de silicio, desarrollada en el LAM, con elementos proporcionados por UiO, que soporta los subsistemas del NISP y hace de interficie con el módulo de carga útil de Euclid. El ensamblaje óptico (construido por MPE), compuesto de lentes correctoras y un conjunto de tres lentes de focalización. Tres filtros de bada ancha en el infrarrojo cercano (Y, J y H) (MPIA), montadas en una rueda de filtros (FWA) (IFAE, IEEC-ICE-CSIC y CEA/Irfu). Cuatro grismas en el infrarrojo cercano desarrollados en el LAM (un grisma es un sistema de rendijas y prismas usada para espectrometría) montados en una rueda (INAF y CEA/Irfu). Una unidad de calibración con 5 LEDs infrarrojos (MPIA). El sistema de detectores del NISP, compuesto por: 16 detectores de alta calidad refrigerados a 95K (NASA/ESA) 16 placas electrónicas dedicadas al control de los detectores (NASA/ESA) La estructura de soporte de los detectores y la electrónica (LAM) La unidad electrónica caliente del NISP, compuesta por: La unidad de control del instrumento (ICU) (UP Cartagena y IAC). El software de la ICU se ha desarrollado en INAF. La unidad de procesamiento (DPU), que controla la electrónica de los detectores y realiza el procesamiento de datos a bordo del satélite (ASI, OHB-I, SAB, TEMIS). El software de la DPU se ha desarrollado en INAF. El sistema de detectores ha sido caracterizado exhaustivamente en Europa por el Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) and the Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I). La integración y pruebas de rendimiento y funcionalidad en frío se han hecho en el LAM, en una gran cámara criogénica, en colaboración con todas las instituciones participantes. Un complejo instrumental se ha desarrollado en el LAM y el Niels Bohr/DTU para los tests de rendimiento y verificación en frío. El instrumental de operación en tierra del NISP son responsabilidad de INAF/INFN. Las pruebas de vibración se han hecho en el Centre Spatial de Liège (CSL, Bélgica).

Otras citas y detalles

El NISP está compuesto por varios subsistemas que han sido diseñados, construidos y verificados por un equipo de astrónomos e ingenieros de varios laboratorios del Consorcio Euclid, con la ayuda y el soporte del Centre National d’Etudes Spatials (CNES, Francia), el Astronomy and Particle Physics Departments of the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia), el Institute for Research on the Fundamental laws de la Universe (IRFU), Research Division of the Commissariat à l’Energie Atomique (CEA, Francia), la Agenzia Spaziale Italiana (ASI, Italia), the Istituto Nazionale Astrofisica (INAF, Italia), el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italy), el Deutsches Zentrum für LuftundRaumfahrt (DLR, Germany), the Max-Planck-Institut für Extraterestrische Physik (MPE, Alemania), el Max-Plank-Institut für Astronomie (MPIA, Alemania), el Ministerio de Economía y Competividad (MINECO, España), el Insitut de Física d’Altes Energies (IFAE, España) y el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya - Institut of Space Science (IEEC-ICE-CSIC, España), la Universidad Politécnica de Cartagena (España), el Instituto de Astrofísica de Canarias (España), la University of Oslo (UiO, Noruega), la Norwegian Space Agency (Noruega), el Niels Bohr institute (Dinamarca), la Technical University of Denmark (DTU, Dinamarca), y NASA / JPL (USA). Thierry Maciaszek (CNES/LAM), el responsable del proyecto NISP ha declarado: “El equipo internacional del NISP en el Consorcio Euclid y las industrias participantes han hecho un trabajo increíble y prácticamente perfecto en el diseño, desarrollo y pruebas de verificación de este complejísimo instrumento. Sin embargo, esta entrega del NISP no es el final de la historia. Aún quedan muchas actividades por desarrollarse con el instrumento una vez instalado en el satélite. Estamos ansiosos de ver la primera luz captada en el espacio que demuestre el excelente rendimiento de este instrumento”. La Dr. Anne Ealet, responsable científica de la espectroscopia del NISP, ha comentado que “NISP proporcionará la fotometría de mil millones de galaxias lejanas en 3 bandas fotométricas (Y, J, H) y el espectro de decenas de millones de galaxias lejanas utilizando el espectrógrafo multi-objeto”. El Dr. Knud Jahnke, es responsable científico de la fotometría del NISP, añadió: “NISP revelará la distribución de la estructura de las galaxias y como las estructuras cósmicas se formaron durante las últimas decenas de miles de millones de años bajo los complejos efectos de la gravedad, la materia y la energía oscuras”.