Na de realisatie van de 5,0 m Hale telescoop (1949) op Mount Palomar in California – VSA, stagneerde de diameter van de spiegels voor sterrenkundige observatoria in de 4,0 m klasse. Met uitzondering van de 6,0 m Bolshoi reflector (1975) in de Kaukasus – Rusland, namen de astronomen genoegen met 3,6 m en 4,0 m telescopen aangezien er een grote evolutie was in detectietechnieken. Detectortechnologie groeide uit van fotografische platen naar zeer gevoelige elektronische lichtdetectoren, Charge Coupled Devices (CCD).
Deze CCDs werden in 1975 voor het eerst gebruikt in de sterrenkunde door astronomen van de Universiteit van Arizona met de 1,5 m telescoop op Mt Lemmon, waarbij de planeet Uranus werd waargenomen. Sindsdien werden CCDs verfijnd, serieel in rasters geplaatst en gecombineerd met wetenschappelijke instrumenten, waardoor revolutionaire ontdekkingen (exoplaneten, quasars met hoge roodverschuiving) werden gedaan. Eind de jaren '80 vereisten diverse takken van de astronomie (o.a. quasaronderzoek) echter grotere telescopen, hetgeen kon worden verwezenlijkt dankzij computerkracht en het concept van de dunne spiegel.
De Gran Telescopio Canarias
Computerkracht werd uiterst belangrijk voor alle aspecten van de sterrenkunde, van observatie tot de verwerking en archivering van de wetenschappelijke data. Bovendien zorgden computers voor een revolutie in het bouwen en controleren van grote telescopen, zoals het gebruik van computergestuurde alt-azimutale monteringen, die lichter, flexibeler en goedkoper waren dan de voordien gebruikte equatoriale monteringen, en het combineren van meerdere telescopen teneinde hun waarnemingen te bundelen (interferometrie). Terwijl de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO – European Southern Observatory) besliste om een groot observatorium uit te bouwen, bestaande uit vier telescopen van elk 8,20 m diameter, waarvan de beelden dankzij interferometrie kunnen worden samengevoegd, ontstond in California het creatieve concept van de gesegmenteerde hoofdspiegel. Professor Jerry Nelson van het technology center van het California institute of Technology (Caltech) stelde het gebruik voor van dunne spiegelsegmenten die als een puzzel de hoofdspiegel (M1) van een grote telescoop vormen. De vorm en positie van elk afzonderlijk spiegel segment kan voortdurend door computers in real-time worden gecontroleerd, een techniek die “actieve optiek” werd genoemd. Caltech’s concept van de gesegmenteerde dunne hoofdspiegel werd succesvol toegepast bij de Keck telescopen (1992 Mauna Kea – Hawaï) waarbij de 10,0 m M1 werd samengesteld uit 36 hexagonale spiegel segmenten. Sinds 1996 kunnen beide Keck I & II samenwerken als de Keck interferometer met een basislijn van 85 meter. De wetenschappelijke resultaten waren fenomenaal en dankzij “adaptieve optiek” (techniek waarbij de storende Aardse atmosfeer kan worden weggefilterd) werd de Keck interferometer de beste telescoop ter wereld!
In dit kader, startte het Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC) een project om de eerste Europese gesegmenteerde telescoop te bouwen op de 2400 m hoge Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) sterrenwacht van het Canarische eiland La Palma. De Spanjaarden realiseerden zich algauw dat een gesegmenteerde spiegel gemakkelijker te transporteren zou zijn op de kronkelige bergwegen van het Caldera de Taburiente nationale park, niet meer zou kosten dan een gelijkaardige monolithische reflector (spiegel telescoop), en namen het besluit om een 10 m klasse telescoop te bouwen die de naam Gran Telescopio Canarias (GTC) kreeg. Het GTC project is een samenwerking tussen IAC – Spanje (90%), Mexico (5%) en de Universiteit van Florida (5%). In januari 2000 werd de eerste steen gelegd voor het GTC complex, een hoofdgebouw met helmvormige koepel en een technisch gebouw met stroomvoorziening. Twee jaar later was de enorme 500 ton zware koepel met 34 m diameter en 24 m hoog afgewerkt en werden twee schuifdeuren geplaatst in de 13 m brede observatieopening. De kleinere onderste schuifdeur kan zelfs helemaal naar boven schuiven om waarnemingen laag bij de horizon mogelijk te maken.
De auteur in de optiek shop van de GTC, waar steeds zes reserve hexagonale spiegelsegmenten beschikbaar zijn,
zodat de telescoop te allen tijde operationeel kan blijven - Foto: Philip Corneille
In februari 2003 werd de draaibare vloer met 16m diameter azimutale ring afgewerkt zodat de montering vanuit de fabriek in Tarragona naar La Palma kon worden verscheept. Medio 2004 waren de technici klaar om werelds grootste spiegel te ontvangen. De GTC is een Ritchey-Chrétien reflector met brandpuntsverhouding f/17 waarbij de 10,4 m hoofdspiegel (M1) is samengesteld uit 36 dunne hexagonale spiegelsegmenten. Momenteel is de GTC de grootste spiegeltelescoop ter wereld en de gehele M1 weegt 17 ton! De Duitse firma Schott vervaardige 42 (36 + 6 reserve) spiegelsegmenten uit ZeroDur, een glaskeramiek met zeer lage uitzettingscoëfficiënt. Vervolgens werden de spiegels uiterst nauwkeurig gepolijst bij de Franse firma SAGEM, waarna ze van een flinterdunne aluminiumcoating werden voorzien. Elk van de 470 kg zware segmenten kreeg een naam die verwijst naar de fauna & flora van de Canarische eilanden. De 6 reserve spiegels laten toe om segmenten te vervangen die een nieuwe coating dienen te krijgen, waardoor de GTC voortdurend operationeel blijft. Elk spiegelsegment wordt door de computergestuurde “actieve optiek” techniek op zijn exacte plaats gehouden. Hiervoor is elke spiegel voorzien van 3 positiesensoren, 6 temperatuurssensoren en 6 pneumatische ondersteuningspunten
De 1,20 m secundaire spiegel (M2) werd vervaardigd uit beryllium en van een nikkelcoating voorzien. De vervormbare M2 weegt 55 kg en hangt onderin een 650 kg zware spiegelcel met tip-tilt servomechanisme en geavanceerd controlesysteem dat gebruik maakt van de “adaptieve optiek” techniek om de storende Aardse atmosfeer weg te filteren. De platte, ellipsvormige tertiaire spiegel (M3) is 1,51 m bij 1,07 m en werd door de Lytkarino Optical Glass Factory (LZOS - Moskou) uit ZeroDur glaskeramiek vervaardigd. De M3 klapt uit in verticale positie midden in de opening van de hoofdspiegel om de lichtbundel af te buigen naar één van beide Nasmyth foci of de zijwaartse Cassegrain foci. In juli 2006 treedt Spanje toe tot ESO waardoor enerzijds hoogtechnologische componenten voor wetenschappelijke instrumenten konden worden uitgewisseld en anderzijds de Spaanse astronomen hun praktische kennis inzake gesegmenteerde spiegels konden toepassen bij de ontwikkeling van de 42 m European-Extremely Large Telescope (E-ELT), gepland voor 2018 op de 3064 m hoge Cerro Armazones in Chili. Na 7 jaren van constructie ging er met de GTC een totale kost van 130 miljoen Euro gepaard en op 13 juli 2007 verkregen de Spaanse astronomen “first light” met een gedeeltelijke hoofdspiegel bestaande uit 12 spiegel segmenten. In tussentijd werden twee instrumenten van de eerste generatie gekozen: OSIRIS en CanariCAM. In maart 2009 werd OSIRIS (Optical System for Imaging and low Resolution Integrated Spectroscopy), een lageresolutie spectroscoop met draaibare filters voor breedveld multi-object spectro-fotometrie in gebruik genomen. Dit instrument beschikt over twee 2048 X 4096 CCDs en werd volledig door IAC in samenwerking met Spaanse universiteiten ontworpen en uitgetest. CanariCAM, een thermische infraroodspectroscoop, werd ontwikkeld aan de universiteit van Florida en is een veelzijdig instrument dat tevens geschikt is voor polarimetrie (bepaling trillingsrichting licht) en coronagrafie (verduisteren van sterlicht).
De auteur nabij het 24 meter hoge gebouw van het GTC-observatorium op La Palma - Foto: Philip Corneille
Tijdens het Internationale Jaar van de Sterrenkunde (IYA 2009) werd de GTC opnieuw ingehuldigd. Op 18 november 2009 verkreeg de GTC “first light” met de volledige hoofdspiegel van 36 spiegel segmenten, waarbij de ster 20 Ceti in het sterrenbeeld Walvis werd waargenomen. Werelds grootste telescoop was klaar voor het nieuwe millennium met de allernieuwste informatica apparatuur en software. De 450 ton zware GTC wordt volledig gecontroleerd door een hoge capaciteit gesofisticeerde computerarchitectuur die gebruik maakt van het Wind River VxWorks real-time operating system (RTOS). Aangezien bepaalde sensoren honderden keren per seconde worden uitgelezen, was het gebruik van een uiterst betrouwbaar RTOS noodzakelijk. Alle wetenschappelijke data bekomen met de GTC wordt in databases geplaatst van het Centro de Astrofisica de La Palma (CALP) en het IAC hoofdkwartier op Tenerife. Gezien het CALP over een supercomputer beschikt, bestaat er tussen beide centra een 10 Gbps data verbinding.
Intussen werkt de astrofysische gemeenschap aan innovatieve instrumenten van de tweede generatie zoals EMIR en FRIDA. De Multi-object IR spectrograaf EMIR (Espectrógrafo Multiobjeto InfraRojo) zal de ontwikkeling van sterren opvolgen terwijl FRIDA (inFRared Imager & Dissector for Adaptive Optics) het eerste instrument wordt dat met adaptieve optiek zal werken vanaf 2011. Naast deze instrumenten is de GTC klaar om extra detectoren van diverse universiteiten uit te testen en wetenschappelijk onderzoek te stimuleren. De Europese GTC is een telescoop van wereldklasse en blijft het ideale werktuig voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor de volgende generatie van reuze telescopen!
