Design of an integral field spectrograph for the european solar telescope

  1. Ariadna Z. Calcines Rosario
Supervised by:
  1. Manuel Collados Vera Director

Defence university: Universidad de La Laguna

Year of defence: 2013

Department:
  1. Astrofísica

Type: Thesis

Teseo: 336421

Abstract

Entre los 400.000 millones de estrellas de La Vía Láctea se encuentra el Sol, cuyas características físicas hacen posible que albergue un sistema planetario, El Sistema Solar. Esta condición parece sufcientemente atractiva para justificar su estudio aunque, sin duda, existen otras razones que lo avalan. Por su proximidad a La Tierra, es la única estrella que puede ser resuelta espacialmente. La alta resolución espacial es, por tanto, una condición imprescindible en los telescopios solares. Asimismo la alta resolución espectral proporciona información sobre las líneas espectrales y otras propiedades físicas codificadas en el espectro. Sin embargo, no aporta demasiada información sobre el campo magnético, el cual rige su actividad y gobierna los fenómenos físicos que tienen lugar en sus diferentes capas. Esta información puede obtenerse con polarimetría, a partir de los parámetros de Stokes. La combinación de estas dos importantes técnicas, espectroscopía y polarimetría, aplicadas de manera simultánea, aporta una amplia información sobre el Sol, facilitando el entendimiento de los fenómenos que tienen lugar en él y la Física que lo rige. Dadas las analogías del Sol con las demás estrellas, los resultados obtenidos de su estudio pueden ser extrapolados a física estelar, luego entender el Sol nos ayuda a entender la evolución de las estrellas. Por otra parte, el Sol juega un papel muy importante en las relaciones Sol-Tierra. Esta razón, combinada con las anteriores, justifican la necesidad e importancia de su estudio. A pesar de ser la estrella más próxima, existen, aún hoy, muchas incógnitas sobre los procesos físicos que tienen lugar en su interior y el origen y evolución de los fenómenos observados. Es importante entender la evolución del campo magnético y de sus estructuras observadas a diferentes alturas. No se conoce con exactitud cómo es transportada la energía desde la fotosfera hasta la cromosfera y cuál es el motivo del aumento de la temperatura entre estas dos capas. Para responder estas y otras preguntas es necesario el desarrollo de instrumentación avanzada. La resolución espacial que permite resolver detalles en el Sol está limitada por el diámetro del espejo primario. Los telescopios terrestres actuales presentan diámetros de hasta 1,6 metros. Sin embargo, este valor no es sufciente para resolver otras estructuras predichas por la teoría. Ante estas necesidades y, motivados por la idea de profundizar en la investigación del Sol y ser capaces de explicarlo físicamente, 15 países de la Unión Europea, liderados por España, se han unido para diseñar el mayor reto tecnológico hasta la fecha en Física Solar terrestre: el Telescopio Solar Europeo (EST), con 4 metros de diámetro y provisto de una gran variedad de instrumentos de vanguardia, que pueden, además, operar de manera simultánea. Uno de esos instrumentos es el espectrógrafo descrito en esta tesis. Generalmente, los espectrógrafos de rendija larga utilizan una única rendija centrada a través de la cual se va desplazando la imagen del Sol. El instrumento propuesto presenta ocho rendijas de entrada, lo que permite observar un campo de visión del Sol ocho veces mayor en el mismo tiempo de integración. Hay diferentes maneras de generar esas rendijas. La más sencilla es colocar una máscara en el plano focal imagen del telescopio y realizar el barrido análogamente al caso de una única rendija. El inconveniente es que, de este modo, dos puntos contiguos del campo de visión se observarían en diferentes instantes de tiempo y, por tanto, bajo distintas condiciones atmosféricas. Para solucionar este problema se ha aplicado espectroscopía de campo integral, una técnica que está siendo implementada en los espectrógrafos de nueva generación para los grandes telescopios nocturnos y que es, sin embargo, una novedad para instrumentos solares. La aplicación de esta técnica, conocida como espectroscopía 3D, permite observar un campo bidimensional, descomponerlo en una o más rendijas y obtener el espectro de todos los puntos del campo simultáneamente. Hay, asimismo, diferentes alternativas de unidades de campo integral que pueden ser, además, combinadas entre sí. Tras el estudio de todas ellas, nos hemos decantado por la aplicación del concepto de "image slicer". Se ha desarrollado un nuevo diseño de "image slicer", llamado MuSICa ("Multi-Slit Image slicer based on collimator-Camera"), específcamente para EST. Los requisitos y las características del diseño lo convierten en una unidad de campo integral de vanguardia que enriquece considerablemente el valor y las prestaciones del instrumento. Se ha diseñado también un prototipo de MuSICa para GRIS, el espectrógrafo del telescopio solar GREGOR. La implementación de una unidad de campo integral en GRIS mejorará las características del instrumento, además de ser un estudio de viabilidad para EST. Puesto que en el Sol, como en las demás estrellas, a cada longitud de onda se le asocia una profundidad óptica, el estudio de varias líneas espectrales permite estudiar lo que ocurre a diferentes alturas al mismo tiempo. Uno de los requisitos es la observación simultánea de ocho líneas espectrales, cinco del rango espectral visible y tres del infrarrojo cercano. El acoplamiento de un sistema de barrido bidimensional hace posible la observación de un campo de visión mayor en integraciones secuenciales. El diseño de este subsistema está polarimétricamente compensado y puede ser además utilizado como un mecanismo de enfoque. El espectrógrafo ha sido diseñado contemplando la posibilidad de acoplar un polarímetro, ofreciendo así dos modos de observación y convirtiéndose en un espectrógrafo 5D que ofrecería información espacial a lo largo de dos direcciones, espectral, temporal y los parámetros de Stokes (x,y,lambda,t,(I,Q,U,V)). A la complejidad tecnológica que presenta este instrumento se añaden una serie de requisitos y especificaciones ambiciosas que deben cumplirse simultáneamente. Estos requisitos incluyen alta resolución espacial (0,1 segundos de arco en 2 píxeles) y espectral (R=300.000), la reorganización de un campo de visión de 80 segundos de arco cuadrados en ocho rendijas de 200 segundos de arco de largo por 0,05 de ancho y la observación simultánea de diversas combinaciones de longitudes de onda asociadas a diferentes programas científicos. Dado que cada longitud de onda es observada con un detector diferente, no puede existir solapamiento en el plano focal imagen. Todas las longitudes de onda deben observarse con una eficiencia alta y una buena calidad óptica. El instrumento es, además, telecéntrico, por lo que la pupila de salida es enviada al infinito y los diferentes haces monocromáticos iluminan los detectores de un modo homogéneo. Esta tesis describe el diseño de un espectrógrafo de campo integral, multi-rendija, multilongitud de onda, de alta resolución, para el Telescopio Solar Europeo, que satisface los diferentes requisitos mencionados y que pretende ser una herramienta útil para el estudio del Sol desde La Tierra.