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Maunakea Spectroscopic Explorer

The Maunakea Spectroscopic Explorer ( MSE ) is a collaborative project to revitalize the Canada–France–Hawaii Telescope (CFHT). [ 1 ] The group aims to replace the 1970s optical...

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The Maunakea Spectroscopic Explorer (MSE) is a collaborative project to revitalize the Canada–France–Hawaii Telescope (CFHT).[1] The group aims to replace the 1970s optical telescope with a modern segmented-mirror telescope and dedicated science instrumentation, while reusing the existing Maunakea summit building and facility.[2] MSE will use an 11.25 meter aperturetelescope and dedicated multiobject fibre spectroscopy instrumentation to perform survey science observations, collecting spectra from more than 4,000 astronomical targets simultaneously.

The project completed a conceptual design in early 2018.[3] However, the 2022 Maunakea moratorium on new leases for telescopes delays decision-making on MSE until after 2030; as of late 2024 the CFHT Board has curtailed funding of any MSE activities for the time being [4].

Background

Partnership and funding

The MSE project initially took shape through a feasibility study led by the National Research Council of Canada, which showed the strength of the science case for a large aperture dedicated multiobject spectroscopic facility, as well as the technical feasibility of such a facility as an upgrade to CFHT. In 2014, the CFHT established a project office in Waimea HI, to lead and develop the project through to the start of construction.[1] The MSE participants in 2018 consists of national-level or state-level organizations in Canada, France, Hawai‘i, Australia, China and India, with CFHT Corp as the executive agency for the project. University groups in Spain also played a key design role in earlier phases of the project. The project is governed by a Management Group of members from each of the participants. The project design work is funded through cash managed by the Management Group and disbursed by CFHT Corp, as well as through in-kind work by most of the participants.

Construction approval process

Los documentos principales para la gestión de los terrenos de Maunakea son el Plan Maestro de la Reserva Científica de Mauna Kea [ 5 ] (junio de 2000) y el Plan de Gestión Integral de Mauna Kea [ 6 ] (2009 y 2010). El Plan Maestro reconoce explícitamente a CFHT como uno de los sitios de la cumbre que serán remodelados, mientras que el Plan de Gestión Integral prescribe el proceso de desarrollo y aprobación. Si bien los cambios planificados para MSE tienen un impacto menor que aquellos categorizados como "remodelación" en el Plan Maestro y las Normas Administrativas del estado, MSE está sujeto a los procesos de aprobación definidos en estos documentos y administrados por el Departamento de Tierras y Recursos Naturales de Hawái (DLNR).

CFHT ocupa un terreno en Maunakea mediante un subarrendamiento del Contrato General S-4191 entre el Estado de Hawái y la Universidad de Hawái (UH). Dicho contrato otorga a la UH los derechos y obligaciones para operar y administrar la Reserva Científica de Mauna Kea hasta el 31 de diciembre de 2033. Actualmente, la UH está tramitando la renovación del Contrato General. Antes de que MSE inicie la fase de construcción, el proyecto debe contar con la aprobación del Departamento de Tierras y Recursos Naturales (DLNR) y la autorización para operar más allá de 2033 bajo un Contrato General renovado para la Reserva Científica de Maunakea.

Objetivos del proyecto

Objetivos científicos

Los objetivos científicos de MSE fueron desarrollados por un equipo científico internacional de amplia base y se describen en el Caso Científico Detallado de MSE. [ 7 ] El Caso Científico Detallado desarrolla y justifica el caso científico para 12 estudios observacionales, cada uno de los cuales aborda una pregunta científica clave, y agrupa esos 12 casos en tres temas científicos:

  1. El origen de las estrellas, los sistemas estelares y las poblaciones estelares de la galaxia,
  2. Vinculando las galaxias con la estructura a gran escala del universo, y
  3. Iluminando el Universo Oscuro.

Se utiliza un conjunto de seis programas de sondeo que son posibles únicamente con MSE [ 8 ] [ref] para definir y limitar las características técnicas del observatorio.

1. Exoplanetas y astrofísica estelar

MSE proporcionará caracterización espectroscópica con alta resolución espectral y alta relación señal/ruido del extremo débil (g ~16) de la distribución objetivo de PLATO , lo que permitirá el análisis estadístico de las propiedades de las estrellas que albergan planetas en función de parámetros estelares y químicos.  Esto permitirá realizar estudios estadísticos muy completos sobre la prevalencia de la multiplicidad estelar en el régimen de Júpiter calientes para esta y otras muestras, y también medir directamente las fracciones binarias fuera de la vecindad solar .

2. Marcaje químico en la Vía Láctea exterior.

MSE se centrará en comprender los componentes externos de la Galaxia: el halo, el disco grueso y el disco exterior, inaccesibles para telescopios de 4 metros, principalmente mediante el uso de su capacidad única para experimentos de etiquetado químico. La química tiene el potencial de usarse además del espacio de fases, o en su lugar, para revelar las asociaciones estelares que representan los remanentes de los bloques de construcción de la Galaxia. MSE impulsará estas técnicas para ayudar a hacer realidad la "Nueva Galaxia" de Freeman y Bland-Hawthorne [ 9 ].

3. Explorando la dinámica de la materia oscura

MSE investigará la dinámica de la materia oscura en todas las escalas espaciales astronómicas. Para las galaxias enanas de la Vía Láctea , MSE obtendrá muestras completas de decenas de miles de estrellas miembros hasta radios muy grandes y con múltiples épocas para identificar y eliminar estrellas binarias. Estos análisis permitirán derivar el perfil interno de la materia oscura con alta precisión e investigarán las afueras de los halos de materia oscura que explican las perturbaciones de marea externas a medida que las enanas orbitan la Galaxia. En el halo galáctico, el mapeo de velocidad radial de alta precisión de cada corriente estelar conocida revelará el alcance del calentamiento a través de interacciones con subhalos oscuros y establecerá fuertes límites a la función de masa de los subhalos oscuros alrededor de una galaxia L* . En escalas de cúmulos, MSE utilizará galaxias, nebulosas planetarias y cúmulos globulares como trazadores dinámicos para proporcionar un retrato completamente consistente de los halos de materia oscura a través de la función de masa .

4. Examinar la conexión entre las galaxias y la estructura a gran escala del Universo.

MSE medirá cómo evolucionan y crecen las galaxias en relación con la estructura de materia oscura en la que están inmersas. Esto se logra mapeando la distribución de poblaciones estelares y agujeros negros supermasivos con los halos de materia oscura y las estructuras filamentosas que dominan la densidad de masa del Universo, y haciéndolo en todas las escalas de masa y espaciales. MSE proporcionará un avance significativo en la astronomía extragaláctica al vincular la formación y evolución de las galaxias con la estructura a gran escala circundante , en todo el rango de escalas espaciales relevantes (desde kiloparsecs hasta megaparsecs ).

5. Tras eventos variables en el tiempo

MSE will perform spectroscopic follow-up of time-variable events discovered by LSST, SKA and other all-sky transient surveys. With its large multiplex advantage and good sky overlap with other surveys, MSE can provide large-aperture followup of faint transient events using a few fibres while simultaneously continuing uninterrupted observation of main survey programs with the remainder of the installed fibre set.

6. The growth of supermassive black holes

MSE will undertake an extragalactic time domain program to measure directly the accretion rates and masses of a large sample of supermassive black holes through reverberation mapping. This information is essential for understanding accretion physics and tracing black hole growth over cosmic time. Reverberation mapping is the only distance-independent method of measuring black hole masses applicable at cosmological distances. MSE will greatly extend the few 10s of relatively low-luminosity AGN that currently have measurements of their black hole masses based on this technique.

Education and social responsibility

Complementing its science objectives MSE will enhance education, particularly STEM [Science, Technology, Engineering, and Mathematics] education, within the partner communities. While details of how MSE will be used to support education are being developed within those communities, CFHT has a proven track record with a number of innovative educational and community outreach programs, such as the Maunakea Scholars[10] program, that engage the Hawai‘i community. Concepts proven through CFHT's existing projects have a broader applicability to the entire international partnership. Such programs will provide the basis for extending development projects into other STEM fields of study.

Observatory design

Telescope and enclosure

Cutaway view of the planned MSE summit facility, showing the telescope within the new telescope enclosure.

The MSE telescope will use an altitude-azimuth telescope mount supporting a segmented primary mirror with an effective aperture diameter of 10 meters. The mount concept is executed as a yoke-type structure and open space-frame telescope tube providing very good mechanical performance.[11] The telescope is optically designed to be a prime focus telescope using a segmented primary mirror of 60 1.44m segments, delivering a circumscribed 11.25 meter aperture, and with a five element widefield corrector providing 1.5 square degrees of corrected field of view at the prime focus optical focal surface of the telescope. Compensation for atmospheric dispersion is an integral function of the widefield corrector optics. MSE's 11.25 meter aperture diameter necessitates replacing Canada-France-Hawai‘i Telescope's enclosure, designed for a 3.6 meter aperture telescope, with one that provides a suitable enclosure aperture while still being of a mass that the current building can support. A calotte style enclosure[12] has been chosen as one that meets performance requirements, including good control of ventilation, while staying within the allowed mass and fiscal budgets.

The instrumentation package[13] at the circular optical field of view is dominated by a hexagonal array of more than 4300 robotic fibre positioners, each of which samples the light at the focal surface with the tip of an optical fibre. Located in the outer chords between the hexagonal array of fibre positioners and the circular field of view are three imaging cameras used for telescope pointing acquisition, guidance, and focus measurement. A mechanical de-rotator stage keeps the instrumentation package stable in the sky coordinate system as the parallactic angle changes during observations.

Science instrumentation

Science data can be acquired in two possible spectral resolution modes: a high resolution of about R = 20,000 | 40,000, and a low/moderate resolution mode spanning R = 2,000 to R = 6,000. MSE is designed to be able to take spectra in both modes simultaneously during any observation. A fibre optic transmission system relays light gathered into the fibre tips at the telescope optical focal plane, to two banks of spectrometers that will measure the spectrum of the light gathered by each fibre. The fibre tips are positioned precisely at the position of astronomical interest in the focal plane by the array of remotely commandable tilting spine fibre positioners,[14] each responsible for one fibre delivering light to one of the two spectrometer banks. The fibre transmission system[15] uses high numeric aperture fibres to optically directly match the telescope focal ratio, and to provide good mechanical stability and optical throughput while minimizing focal-ratio degradation. The fibre core diameter, which sets the size of the sky sampled by each fibre tip, is different in those fibres used in the high resolution mode from those used in the low/moderate resolution mode, due to the difference in angular size of astronomical targets anticipated in each mode.

MSE's high resolution spectrometers are located within the concrete pier beneath the telescope. This bank of spectrometers measures spectra of light delivered by 1000 or more fibres, each dispersed in three spectral windows distributed over the visible light range of the instrument (360 nm to 900 nm).[16] The low/moderate resolution spectrometers are located on the telescope, on outrigger platforms on the azimuth structure. This bank of spectrometers measures spectra of light delivered by 3200 or more fibres, each dispersed in four spectral windows. The windows provide continuous wavelength coverage over the visible and near-infrared bands from 360 nm to about 1.8 um when operated in their lowest resolution (a resolution of about 3,000), or about one-half the wavelength coverage when operated with moderate resolution (a resolution of about 6,000).[17]

Science exposures are calibrated using both on-telescope and off-telescope lamps, and the twilight sky.[18] During the observing night, on-telescope lamps illuminate the fibre inputs with lamps which give a broad continuum of energy over the wavelength range ("flats") and lamps which have a number of narrow-band emission lines ("arcs") such as hollow-cathode lamps. Lamp flat and arc calibration measurements are taken in the nighttime using the on-telescope calibration system, before and after every science observation, with the telescope mount and fibre positioner in the same observing configuration as used in the science observation. Lamp flat and arc calibration measurements are also taken in the daytime using the off-telescope calibration system, which can provide a measurement with higher signal to noise ratio. Lamp flats are also taken in a reference configuration of the telescope and positioner, to measure the relative energy of the twilight flats and the lamp flats. Twilight flat calibration measurements are used to give a more accurate representation of the energy distribution that the telescope sees during observation, than is possible with lamp calibration measurements alone.

Data

Scheduling MSE in an optimal way is a complex multi-faceted problem.[19] Each "observing matrix" (one observation made at a single telescope pointing and suite of associated fibre positions) targets spectra from more than 4300 fibres pointing at objects selected from a few simultaneous surveys as well as calibration targets and targets of opportunity, and with spectrographs and indeed arms of spectrographs configured differently in each observing matrix. Objects are selected to be included in any observing matrix on the bases of science priority, time criticality, observing conditions, source brightness, sky brightness, calibration needs, and fibre yield (the fraction of fibre tips that can be placed on useful science objects). Software tools are being defined to automate steps in the operations sequence, going from survey definition to the delivery of science data. The final data product that MSE will deliver are 2-dimensional images of spectra, and 1-dimensional spectra, corrected for observatory signature, spectrally calibrated, and co-added where multiple measurements of the same object at the same resolution have been made. The data release policy will be finalized as the project approaches the start of construction, and is expected to include an immediate release of data to partner organization scientists and survey teams, and a later release to the public.

Maunakea summit facility

MSE está diseñado para lograr sus objetivos científicos con el menor impacto posible en la cima de Maunakea, tanto durante la construcción como durante la operación del observatorio resultante. [ 2 ] El proyecto es una mejora de las instalaciones existentes del CFHT y, principalmente, consiste en el reemplazo del telescopio, la cúpula y la instrumentación dentro del edificio actual, reutilizando los cimientos existentes sin alteraciones. Es necesario reorganizar algunos equipos y espacios dentro del edificio actual para satisfacer las necesidades de MSE, así como las de los cambios en la normativa de construcción desde la construcción original, pero el objetivo del diseño es un edificio que se vea sustancialmente idéntico al edificio actual de la cima del CFHT. La estructura interna del edificio se mejorará para proporcionar un mejor rendimiento durante eventos sísmicos y para dar cabida al nuevo recinto y al telescopio más grande. Otros cambios incluyen la reubicación de equipos y laboratorios para disipar mejor el calor del entorno de observación y proporcionar espacio para las operaciones rutinarias de limpieza y recubrimiento de los espejos segmentados .

Si bien el sistema MSE se operará de forma remota desde el edificio de la sede de Waimea para todas las operaciones nocturnas, el edificio de la cumbre seguirá proporcionando instalaciones para el control del telescopio y del recinto durante los trabajos de ingeniería y mantenimiento diurnos, además de satisfacer las necesidades de comodidad en el lugar de trabajo y de refugio seguro para el personal en caso de emergencia.

Referencias

  1. 1 2 Murowinski, Rick; Simons, Douglas A.; McConnachie, Alan W.; Szeto, Kei (2016-07-27). Hall, Helen J; Gilmozzi, Roberto; Marshall, Heather K (eds.). "Maunakea Spectroscopic Explorer: el estado y el progreso de un importante proyecto de reurbanización del sitio". Telescopios terrestres y aerotransportados VI. 9906 : 99061I. Bibcode : 2016SPIE.9906E..1IM . doi : 10.1117/12.2234471 . S2CID 124135362 . {{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  2. 1 2 Bauman, Steven E.; Barrick, Greg; Benedict, Tom; Bilbao, Armando; Hill, Alexis; Flagey, Nicolas; Elizares, Casey; Gedig, Mike; Green, Greg (10 de julio de 2018). Operaciones de observatorio: estrategias, procesos y sistemas VII . Vol. 10704. pág. 66. arXiv : 1807.08044 . doi : 10.1117/12.2311350 . ISBN   9781510619616. S2CID 119341532 . 
  3. ↑ Szeto, Kei; Simons, Doug; Bauman, Steven; Hill, Alexis; Flagey, Nicolas; McConnachie, Alan; Mignot, Shan; Murowinski, Richard (2018-07-06). Explorador espectroscópico de Maunakea: avances desde el diseño conceptual . Vol. 10700. p. 54. arXiv : 1807.08014 . doi : 10.1117/12.2314067 . ISBN   9781510619531. S2CID 116131472 . 
  4. ↑ "Maunakea Spectroscopic Explorer" . Telescopio Canadá-Francia-Hawái. 20 de diciembre de 2024. Consultado el 7 de diciembre de 2025 .
  5. ↑ "Plan Maestro de la Reserva Científica de Mauna Kea" . Oficina de Gestión de Maunakea . Consultado el 13 de julio de 2018 .
  6. ↑ "Plan de Gestión Integral" . Oficina de Gestión de Maunakea . Consultado el 13 de julio de 2018 .
  7. ↑ McConnachie, Alan; Babusiaux, Carine; Balogh, Michael; Driver, Simon; Côté, Pat; Courtois, Helene; Davies, Luke; Ferrarese, Laura; Gallagher, Sarah; Ibata, Rodrigo; Martin, Nicolas; Robotham, Aaron; Venn, Kim; Villaver, Eva; Bovy, Jo; Boselli, Alessandro; Colless, Matthew; Comparat, Johan; Denny, Kelly; Duc, Pierre-Alain; Ellison, Sara; Richard de Grijs; Fernandez-Lorenzo, Mirian; Freeman, Ken; Guhathakurta, Raja; Hall, Patrick; Hopkins, Andrew; Hudson, Mike; Johnson, Andrew; et al. (2016). "The Detailed Science Case for the Maunakea Spectroscopic Explorer: The Composition and Dynamics of the Faint Universe". arXiv : 1606.00043 [ astro-ph.IM ]. 
  8. ↑ McConnachie, Alan; Babusiaux, Carine; Balogh, Michael; Driver, Simon; Côté, Pat; Courtois, Helene; Davies, Luke; Ferrarese, Laura; Gallagher, Sarah; Ibata, Rodrigo; Martin, Nicolas; Robotham, Aaron; Venn, Kim; Villaver, Eva; Bovy, Jo; Boselli, Alessandro; Colless, Matthew; Comparat, Johan; Denny, Kelly; Duc, Pierre-Alain; Ellison, Sara; Richard de Grijs; Fernandez-Lorenzo, Mirian; Freeman, Ken; Guhathakurta, Raja; Hall, Patrick; Hopkins, Andrew; Hudson, Mike; Johnson, Andrew; Kaiser, Nick (2016). "Una visión general concisa del Explorador Espectroscópico de Maunakea". arXiv : 1606.00060 [ astro-ph.IM ].
  9. ↑Freeman and Bland-Hawthorne (2002). "The New Galaxy: Signatures of its Formation". Annu. Rev. Astron. Astrophys. 40: 487–537. arXiv:astro-ph/0208106. Bibcode:2002ARA&A..40..487F. doi:10.1146/annurev.astro.40.060401.093840. S2CID 9168875.
  10. ↑"Maunakea Scholars – Maunakea Scholars". maunakeascholars.com. Retrieved 2018-08-01.
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  12. ↑Szeto, Kei. "Engineering Overview and the Key Design Space for MSE"(PDF).
  13. ↑Hill, Alexis; Flagey, Nicolas; McConnachie, Alan; Murowinski, Rick; Szeto, Kei (2018-07-06). Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII. Vol. 10702. p. 57. arXiv:1807.08017. doi:10.1117/12.2314266. ISBN 9781510619579. S2CID 66118433.
  14. ↑Smedley, Scott; Baker, Gabriella; Brown, Rebecca; Gilbert, James; Gillingham, Peter; Saunders, Will; Sheinis, Andrew; Venkatesan, Sudharshan; Waller, Lew (2018-07-06). Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII. Vol. 10702. p. 58. arXiv:1807.09181. doi:10.1117/12.2310021. ISBN 9781510619579. S2CID 116512583.
  15. ↑Venn, Kim; Erickson, Darren; Crampton, David; Pawluczyk, Rafal; Fournier, Paul; Hall, Patrick; Bradley, Colin; McConnachie, Alan; Pazder, John (2018-07-09). Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII. Vol. 10702. p. 284. arXiv:1807.08036. doi:10.1117/12.2312715. ISBN 9781510619579. S2CID 119467262.
  16. ^ Zhang, Kai; Zhou, Yifei; Tang, Zhen; Saunders, voluntad; Venn, Kim A.; Shi, Jianrong; McConnachie, Alan W.; Szeto, Kei; Zhu, Yongtian (10 de julio de 2018). Instrumentación terrestre y aérea para astronomía VII . vol. 10702. pág. 289. arXiv : 1807.08710 . doi : 10.1117/12.2312685 . ISBN   9781510619579. S2CID 119374190 . 
  17. ↑ Caillier, Patrick; Saunders, Will; Carton, Pierre-Henri; Laurent, Florence; Migniau, Jean-Emmanuel; Pécontal, Arlette; Richard, Johan; Yèche, Christophe (11 de julio de 2018). Instrumentación terrestre y aerotransportada para astronomía VII . Vol. 10702. p. 304. arXiv : 1807.09179 . doi : 10.1117/12.2314057 . ISBN   9781510619579. S2CID 119507621 . 
  18. ↑ McConnachie, Alan W.; Flagey, Nicolas; Hall, Pat; Saunders, Will; Szeto, Kei; Hill, Alexis; Mignot, Shan (10 de julio de 2018). Observatory Operations: Strategies, Processes, and Systems VII . Vol. 10704. pág. 62. arXiv : 1807.08029 . doi : 10.1117/12.2313606 . ISBN   9781510619616. S2CID 119528599 . 
  19. ↑ Flagey, Nicolas; McConnachie, Alan; Szeto, Kei; Hall, Patrick; Hill, Alexis; Hervieu, Calum (10 de julio de 2018). Observatory Operations: Strategies, Processes, and Systems VII . Vol. 10704. p. 33. arXiv : 1807.08019 . doi : 10.1117/12.2313027 . ISBN   9781510619616. S2CID 119273253 . 
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