Doutorado: Desenho Óptico Conceitual do Espectrógrafo Astronômico e Cosmológico de Múltiplos Objetos do Telescópio Gigante de Magalhães

Esta tese está no contexto da área de instrumentação óptica aplicada aos Telescópios Extremamente Grandes (do inglês Extreme Large Telescopes). Ela apresenta o desenvolvimento do design óptico referente à fase conceitual do Espectrógrafo Astronômico e Cosmológico de Múltiplos Objetos Telescópio Gigante de Magalhães (do inglês GMT Multi-Object Astronomical and Cosmological Spectrograph, GMACS), durante os anos de 2015 a 2020. A próxima geração de telescópios, os ELTs, prevista para o final da década de 2020 e o início da próxima década, fornecerá à comunidade científica, juntamente com o James Webb Space Telescope e o Large Synoptic Survey Telescope, um conjunto de instrumentos com recursos sem precedentes para aplicação em diversas áreas da astronomia, tais como estudos da formação e evolução de sistemas planetários, dinâmica e evolução de galáxias, caracterizações de exoplanetas e reionização. Entre os ELT previstos, o Telescópio Gigante de Magalhães (do inglês Giant Magellan Telescope, GMT) é um telescópio óptico gregoriano com uma área de coleta efetiva de 368 m² e o primeiro previsto para o final da década de 2020, atualmente em construção no nordeste de La Serena, Chile, em Las Observatório Campanas. Como membro dos instrumentos selecionados para primeira luz, um MOS óptico de amplo campo e resolução moderada demonstrou ser essencial para atender a diversos objetivos GMT, tais como formação de estrelas, populações estelares e a maioria das ciências extragalácticas. Este instrumento é o GMACS, um espectrógrafo visível multi-objeto de campo amplo de uso geral. Esta pesquisa está inserida no contexto das atividades de desenvolvimento do sistema óptico do GMACS, cujos resultados sáo cruciais para direcionar o desenvolvimento de outras áreas e decisivas para o sucesso do instrumento. Essas atividades consistem em uma descrição do GMT e GMACS, e uma revisão conceitual de um espectrógrafo óptico de grade VPH de baixa a média resolução para ELTs da perspectiva do design óptico; uma revisão dos MOS preexistente com especificações similares do GMACS para correlacionar as soluções de design adotadas com seus requisitos e desafios técnicos; uma descrição detalhada da metodologia e ferramentas que desenvolvemos para o design, modelagem e análise ópticos conceituais; os resultados que apresentamos na revisão conceitual, dentro do contexto do escopo do projeto de 2016 solicitado e pelo GMTO por meio da proposta GMT-SOW-01091; e finalmente as conclusões para as etapas futuras do projeto óptico. O desenho óptico conceitual proposto do GMACS é um espectrógrafo de dois canais, baseados em redes holográficas de transmissão como elemento dispersivo, campo relativamente amplo de aproximadamente 7.5 arcmin em diâmetro, poder resolvente de 500 a 6.000 e resolução de 8.5 Å a 0.7 Å para uma fenda de 0.7 arcsec de largura, alta eficiência e cobertura espectral de 320 nm a 1.000 nm. O sistema óptico é composto por um colimador refrativo com pupila de saída de 270 mm de diâmetro seguida por duas câmeras f/2.2 refrativas otimizadas nas regiões de 320 nm à 600 nm, e 550 nm à 1000 nm, resultando no maior produto étendue para um único MOS óptico da atualidade. As deformações mecânicas geradas pela variação do vetor de gravidade da estrutura atual do GMACS afetam a estabilidade espectral e a qualidade da imagem. Os resultados da metodologia desenvolvida nesta pesquisa para a integração da análise de elementos finitos (FEA) e o software de design óptico Zemax revelam que dois compensadores ativos, localizados um no grupo colimador e outro no grupo de câmeras de cada um dos braços GMACS, podem compensar satisfatoriamente esses efeitos. O compensador de colimador é para focar enquanto a câmera é para focagem fina e estabilização de imagem.