Mid-infraroodinstrument voor de grootste telescoop ter wereld

31 augustus 2016 

Afgelopen najaar is begonnen met het basisontwerp van een astronomisch infraroodinstrument voor de grootste telescoop ter wereld: Metis. De Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph heeft als doel met grotere scherpte in infrarood licht naar het heelal te kijken en vereist daarvoor verschillende innovaties.

Al meer dan twintig jaar bestudeert de Zuidelijke Europese sterrenwacht Eso de ruimte met de VLT (Very Large Telescope). De faciliteit telt vier telescopen met acht meter grote spiegels en bevat een scala aan inmiddels tweede generatie instrumenten. Ruim een jaar geleden keurde Eso de ontwikkeling goed van nog een veel grotere telescoop, de European Extremely Large Telescope, kortweg E-ELT, met een diameter van 39 meter. Het complex, dat circa een miljard euro zal gaan kosten, moet verrijzen op de top van de Cerro Armazones in het Chileense Andes-gebergte. Als de E-ELT omstreeks 2025 gereed is, zal het systeem de krachtigste faciliteit op aarde zijn. Het zal astronomen helpen bij onder meer het karakteriseren van aardachtige planeten in de bewoonbare zones rond andere sterren, het bestuderen van de vroegste stadia van protoplanetaire systemen en sterrenstelsels met hoge roodverschuiving, en helpen bijdragen te leveren aan de kosmologie.

De European Extremely Large Telescope (links) wordt veel groter dan de bestaande vier VLT-telescopen (midden). Rechts het Colosseum in Rome als vergelijking. Beeld: Eso

Een instrument van deze omgang en in de sterrenkunde nog niet vertoonde complexiteit vereist uiteraard de modernste technologie. De E-ELT is enorm. Eenmaal klaar zal hij bestaan uit 798 spiegelsegmenten, elk 1,4 meter in doorsnee en 50 mm dik. Een actief framework houdt de spiegels in positie, op fracties van een golflengte van zichtbaar licht, ook bij veranderende elevatie van de telescoop. De gehele telescoop zal bijna drieduizend ton wegen. In tegenstelling tot klassieke telescopen waarbij stabiliteit en nauwkeurigheid wordt behaald door stijve en passieve constructies, wordt de E-ELT uitgerust met een scala aan correctiesystemen die de telescoop actief in optimale vorm houden tijdens het doen van de sterrenkundige waarnemingen. Tegelijkertijd zijn ook de eisen hoger, want een 39 meter grote telescoopspiegel kan behalve veel licht opvangen theoretisch ook veel scherper kijken. Hand in hand met de schaalvergroting groeien daarmee ook de eisen aan de instrumenten.

Een belangrijk euvel bij ground-based optische telescopen betreft de atmosfeer. Temperatuurfluctuaties in de lucht veroorzaken lokale verschillen in brekingsindex en tijdsafhankelijke verschillen in scherpte. Om dit te ondervangen, worden alle grote telescopen tegenwoordig uitgerust met een adaptief optisch systeem dat tracht de verstoringen te meten en realtime te corrigeren. De E-ELT krijgt ook zo’n systeem. Anders dan de meeste systemen waarbij dit ‘achter’ de telescopen wordt gemonteerd, wordt het bij de E-ELT een integraal onderdeel van het systeem. Een van de E-ELT-spiegels (diameter 2,4 meter) zal worden voorzien van 5200 individueel aanstuurbare actuatoren, die het optisch golffront corrigeren tot beter dan 60 nanometer rms bij een regelbandbreedte van 400 Hz. De atmosferische verstoringen worden gemeten door de wetenschappelijke instrumenten met golffrontsensoren die de gegevens terugsturen naar de adaptieve spiegel van de E-ELT.

High contrast

Verschillende Nederlandse onderzoeksgroepen en industriële partijen - onder meer Jansen Precision Engineering, Sron, TNO en de UT - hebben reeds bijgedragen aan verschillende technologiestudies om de haalbaarheid van zo’n grote telescoop te toetsen. Via de Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie (Nova) dragen Nederlandse universiteiten en sterrenkundige instituten bij aan twee van de drie eerste E-ELT-instrumenten. Van een daarvan, Metis, is Nova projectleider en stuurt het een Europees consortium aan. Metis (Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph) is een infraroodcamera en spectrograaf. Het andere instrument heet Micado en is een astrometrische camera in het optisch golflengtegebied.

Links en rechts van de spiegel bevinden zich twee platforms voor het opstellen van instrumenten zoals de Mid-infrared E-ELT Imager and Spectrograph (Metis). Beeld: Eso/Dorling Kindersley

Probleem bij waarnemen in het infrarood is dat we naar warmtestraling kijken maar dat het heelal niet oneindig koud is. Wanneer zwakke sterren of sterrenstelsels moeten worden waargenomen, is deze achtergrondstraling bijzonder storend. Het is alsof je sterren wilt bekijken vanuit het centrum van een grote stad. Om dit tegen te gaan, wordt Metis uitgerust met een zogenaamde chopper, een kantelspiegel die snel kwispelt tussen het interessante object en de omringende hemel, en van beide telkens een opname maakt. Door beide van elkaar af trekken, blijft in theorie alleen het licht van de ster over. Omdat er geen standaard voor bestaat, is de chopper speciaal ontwikkeld (zie Mechatronica&Machinebouw 8, 2011).

Een van de grote astronomische vraagstukken betreft onderzoek aan planeten rond andere sterren. Omdat de rond een ster draaiende planeten veel lichtzwakker zijn dan de ster zelf (factor duizend tot een miljard), is het niet vanzelfsprekend dat we de planeet kunnen zien. Dit vakgebied noemen we high-contrast imaging. Er wordt gebruikgemaakt van coronografen die het sterbeeldje heel precies afschermen, en van optische componenten die op micrometerschaal variërende optische eigenschappen hebben waardoor het natuurkundige buigingspatroon rond de ster - zoals bepaald door de cirkelvormige hoofdspiegel van de telescoop - kan worden veranderd. Dit maakt het mogelijk om een gebied waar de planeten zich kunnen bevinden kunstmatig sterlichtvrij te maken.

Vrije vormen

Omdat planeten vanuit ons gezichtspunt zeer dicht rond de moederster draaien, zijn zeer precieze uitlijning en stabiliteit een must. Mechanisch gesproken, is de uitdaging hoe de precisie daarvoor te bereiken. Om de coronagrafische componenten te kunnen plaatsen, heeft Metis twee tussenliggende brandvlakken en twee pupilvlakken nodig. Die vlakken worden gecreëerd in de zogenaamde re-imager, het hart van het Metis-instrument. Deze component vormt de ingangsbundel om in geschikte bundels voor de uiteindelijke instrumenten (in dit geval twee camera’s en twee spectrografen). Metis heeft twee re-imagers achter elkaar nodig. Ontwerpeisen zijn goede optische kwaliteit van zowel brand- als pupilvlakken, compactheid (het instrument moet worden gekoeld tot temperaturen tussen 10 en 80 kelvin om zelf geen storende warmtestraling te produceren) en een minimaal aantal optische componenten om de transmissie hoog te houden.

Het hart van Metis is de re-imager die de ingangsbundel omzet in geschikte bundels voor twee camera’s en twee spectrografen. Beeld: Eso

Een van de alternatieven die wordt onderzocht, betreft het toepassen van free form-designs. Free forms zijn optische elementen waarvan het oppervlak niet rotatiesymmetrisch is en de vorm significant afwijkt van een sferisch basisoppervlak. In extreme gevallen bedraagt die afwijking soms meer dan een millimeter. Toepassen van free form-optiek biedt voordelen zoals de mogelijkheid tot verregaande optimalisatie, het kunnen minimaliseren van massa en volume van het instrument, en vergroting van de transmissie door de mogelijkheid minder componenten toe te passen. Het vereist echter wel andere vervaardigingstechnieken en heeft een veel hogere moeilijkheidsgraad.

Een re-imager bestaat typisch uit drie tot vier spiegels of lenzen. Met optische free form-elementen kan dat worden teruggebracht naar twee.

Een re-imager bestaat vaak uit drie tot vier spiegels of lenzen. Indien een optisch free form-element kan worden toegepast, kan het aantal elementen worden teruggebracht naar twee. Behalve voor de Metis-re-imager bekijken we free form-optiek ook voor de spectrometer. Hier kan de techniek niet alleen zorgen voor vereenvoudiging maar tevens helpen om fouten in de productie van het geavanceerde immersed tralie te corrigeren.

Hydro-forming

Er is ook sterke behoefte om de optische component te kunnen aanpassen. Daarmee wordt het mogelijk om afwijkingen in het systeem te corrigeren zoals productieonvolkomenheden in de optische elementen zelf of niet-perfecte uitlijning van het systeem. In tegenstelling tot adaptieve optiek is deze actieve optiek langzaam en corrigeert ze alleen de laagste orde oppervlakteafwijkingen in de component.

Met een grid van thermische actuatoren wordt een vormnauwkeurigheid van zo’n 100 nm rms mogelijk. Beeld: Astronomical Technology Center, Edinburgh

De gedane ontwikkeling gaat uit van ongeveer een millimeter dikke metalen wafers die eerst binnen optische toleranties vlak worden gepolijst. Met behulp van hydro-forming wordt hierin plastisch de gewenste vorm geperst door middel van een mal die nauwkeurig is uitgerekend en zowel plastische als elastische (rest)vervorming beschouwt. De geperste wafer krijgt een vorm die tot op enkele micrometers nauwkeurig is. Afwijkingen treden daarbij alleen op in de laagste frequenties. Alle hoge frequenties blijven onaangetast.

Om de metalen wafer in de uiteindelijke vorm te brengen, wordt hij vervormd. Daartoe wordt hij voorzien van een ondersteunend raamwerk voorzien van actuatoren die de component in de gewenste vorm kunnen positioneren. Als actuatoren hebben we in eerste instantie gekozen voor thermische weerstanden die door lokale verwarming het raamwerk lokaal doen uitzetten, maar ook ministappenmotoren worden getest en piëzo-elementen behoren tot de mogelijkheden. Het aantal actuatoren en het actuatorgrid worden geoptimaliseerd voor het bereiken van de gewenste correctie. De aansturing wordt vervolgens berekend aan de hand van de individuele responsfunctie van iedere actuator. Uitgaande van hydro-form-nauwkeurigheden van ongeveer vijf micrometer zijn thans vormnauwkeurigheden van zo’n 100 nm rms mogelijk.

Met behulp van hydro-forming krijgt de geperste wafer een vorm die tot op enkele micrometers nauwkeurig is. Beeld: MAP Marseille

Er is nog een aantal stappen die verder moeten worden onderzocht. Allereerst is er het meten van de vormafwijking die enerzijds gebeurt via sensoren op de actuatoren, maar beter nog geschiedt via in-situ meting van de optische kwaliteit zonder de astronomische waarneming te verstoren. Daarnaast is er de uitdaging de techniek ook cryogeen te kwalificeren. De ontwikkeling gaat voort: zowel de E-ELT als Metis hebben een bouwtijd van ongeveer tien jaar.

Felix Bettonvil werkt als projectmanager en systeemingenieur bij de Nova Optical Infared Instrumentation Group in Dwingeloo. Hij heeft bijdragen geleverd aan verschillende instrumenten voor de sterrenwachten in Chili en La Palma. Momenteel is hij Nederlands projectmanager voor Metis.

AGENDA

Events

World of Technology and Science

2 oktober - 5 oktober

Utrecht

Trainingen

Topbanen
Murrelektronik BV

Accountmanager (M/V)

Murrelektronik BV

Zuid-Oost Nederland

Huisman (China) CO., LTD.

Local Discipline Manager Mechanical (China)

Huisman (China) CO., LTD.

Zhangzhou City

Techwatch

Techwatch | bv | Novio Tech Campus | Transistorweg 7-H | 6534 AT Nijmegen
T. +31 (0)24 - 350 3532 | info@techwatch.nl

Copyright ©  2018 Mechatronica&Machinebouw - All Rights Reserved

×