Imagen nocturna del Observatorio del Roque de los Muchachos, donde puede apreciarse el GTC en primer plano y los telescopios TNG, NOT, WHT al fondo (de derecha a izquierda siguiendo la traza de la Vía Láctea). Créditos: Antonio Marante

Desde el mismo momento de su diseño, en la década de los años 90 del siglo pasado, el GTC fue concebido como una instalación de propósito general, altamente versátil, que pudiera trabajar desde el corte atmosférico ultravioleta hasta el rango infrarrojo medio, atendiendo de este modo a un amplio abanico de campos científicos diferentes. Para esto, fue considerado el uso de distintas estaciones focales: dos focos Nasmyth, dos focos Cassegrain doblados, un foco Cassegrain principal, además de un foco Coudé adicional bajo la base del telescopio, permitiendo que el GTC fuera capaz de albergar varios instrumentos simultáneamente, siendo posible cambiar de un instrumento a otro en el orden de pocos minutos durante las operaciones nocturnas.

Instrumentos científicos del GTC

La figura 1 muestra un esquema de la configuración de los diferentes instrumentos científicos del GTC, incluyendo tanto los instrumentos actualmente operativos como los instrumentos en desarrollo y los que ya han sido decomisionados. Como fácilmente puede deducirse de la imagen, el plan instrumental del GTC ha sido altamente exigente y ha supuesto un reto significativo para el equipo de operaciones del telescopio, que ha tenido que mantener la operatividad de la instalación al mismo tiempo que se recibía nueva instrumentación para su puesta en marcha. 
 

Figura 1: Evolución de la configuración instrumental del GTC desde el comienzo de la operación científica del telescopio en 2029. En verde se muestran los instrumentos actualmente instalados, en amarillo los instrumentos en desarrollo y en gris aquellos instrumentos que han sido reubicados o decomisionados. Créditos:  GTC
 

Desde el comienzo de las operaciones nocturnas del GTC, en marzo de 2009, se contabilizan 15 actuaciones con respecto a la instrumentación, lo que arroja un promedio de una por año, claramente por encima de lo recomendable para una operación estable, pero un reto que desde GRANTECAN se ha podido cumplir hasta la fecha con eficacia y dedicación. 

En la siguiente Tabla se muestra un resumen de las propiedades básicas de la instrumentación científica disponible en el GTC, tanto en la actualidad como a corto plazo (2025-2028). En caso necesario, se puede acudir a la web del telescopio para encontrar información más completa y detallada.

Instrumentos actuales del GTC 

En 2025, GTC ofrece para la operación científica cuatro instrumentos diferentes: OSIRIS+, EMIR+, MEGARA e HiPERCAM, además de estar completando el comisionado de GTCAO en el telescopio en previsión de la llegada de FRIDA a mediados de año.

OSIRIS es el instrumento más demandado del GTC y permite realizar observaciones en modo imagen y espectroscopía (tanto de rendija larga como multiobjeto) en el óptico. OSIRIS fue el instrumento de primera luz del telescopio (2009) y desde entonces ha sido su instrumento más usado y exitoso. Hasta la fecha, más del 80% de los datos y más del 85% de las publicaciones científicas del GTC han sido obtenidas con OSIRIS, y el interés de la comunidad en su explotación científica ha impulsado diversas mejoras en sus prestaciones: en primer lugar, su reubicación en el Foco Cassegrain en 2022 y, en segundo lugar, la inclusión en 2023 de un detector óptico monolítico con una notable mejora en sensibilidad en el azul. La combinación de ambas prestaciones nos deja un instrumento más sensible que nunca, que permite llegar realmente al límite de las capacidades del telescopio (OSIRIS+). 

Imagen profunda de OSIRIS obtenida con una combinación de filtros intermedios del programa SHARDs. La magnitud límite para fuentes puntuales alcanza 27.5 mag en bandas de 170 nm de ancho. Créditos: Daniel López / GTC
 

Con el objeto de mejorar aún más la versatilidad del instrumento, en 2025 se espera la incorporación del módulo MAAT dentro de OSIRIS. Este módulo (IFU), permitirá realizar espectroscopía 2D en un campo de visión de 10”x7” con una resolución ligeramente mejor que la definida originalmente en OSIRIS (hasta 3500), y con un diseño puramente reflectivo que evitará las pérdidas de luz del objeto científico, mejorando aún más la sensibilidad de OSIRIS en todo el rango óptico.

EMIR es el principal instrumento del GTC para trabajar en el rango infrarrojo, permitiendo realizar observaciones en modo imagen y en modo espectroscopía (rendija larga y multiobjeto) gracias al uso de un sistema operado en ambiente criogénico de 55 rendijas, que son configurables de forma automática en un intervalo de minutos. En 2023 el instrumento incorporó, al igual que OSIRIS, un nuevo detector H2RG, que permitió mejorar de forma notable su sensibilidad en la observación de fuentes débiles. Ambos detectores (tanto el de OSIRIS+ como el de EMIR+) fueron caracterizados y desarrollados en el Laboratorio LISA del Instituto de Astrofísica de Canarias. 

HiPERCAM es un instrumento visitante desarrollado para el GTC por Vik Dhillon (Universidad de Sheffield). Se trata de una cámara óptica que permite la observación simultánea en 5 bandas diferentes (ugriz) de modo ultrarrápido con un ritmo superior a 1 MHz. Montado de forma temporal en el foco Folded Cass-E, HiPERCAM resultó ser un instrumento muy exitoso en su combinación con la insuperable capacidad colectora del GTC, pues permite obtener series temporales de grandísima calidad sin tiempos de lectura entre exposiciones. Por este motivo, a raíz de la demanda de la comunidad, HIPERCAM fue reubicada en 2023 en una estación focal dedicada (Folded Cass-G) de forma permanente. Esto supuso la necesidad de desarrollar exprofeso un rotador para permitir su uso en el limitado espacio disponible junto a la estación focal ocupada por MEGARA.

MEGARA ofrece la posibilidad de obtener espectroscopía bidimensional en el óptico, bien en su modo IFU (12.5”x11.3”) o en su modo multiobjeto que emplea hasta 100 posicionadores robóticos con un campo de visión de 3.5’x3.5’. MEGARA incluye una componente de plano focal en la estación focal Folded Cass-F, y un espectrógrafo localizado en la Nasmyth-A, en la que mediante el uso de VPHs de alta eficiencia se pueden obtener espectros con resoluciones R=5500, 10000, o 20000.

GTCAO es el Sistema de Óptica Adaptativa del GTC. Se trata de un sistema de AO monoconjugado basado en un sensor de frente de onda Shack-Hartmann, trabajando en rango óptico. Para un seeing promedio de 0.65”, se espera que proporcione un Strehl ratio de 

~0.60 en la banda K, con estrellas guía de m(R) = 6-12 y hasta ~0.30 para m(R) = 15.  GTCAO se instaló en el GTC en verano de 2023 y, desde entonces, se trabaja en su puesta a punto, así como en la mejora de las prestaciones del telescopio necesarias para poder explotar todas las capacidades del sistema en la operación científica. Para ello, contamos desde 2024 con la ayuda de un instrumento técnico de alineado diurno (COALA) que mejorará la eficiencia del alineado de los espejos del primario durante la operación nocturna. GTCAO está diseñada para trabajar tanto con guía natural como con guía láser (sistema que será instalado en el telescopio en 2025-2026), lo que redundará en una mayor versatilidad del componente de GTCAO. 

Conjunto de instrumentos actualmente instalados en el GTC. Créditos:  GTC

Instrumentos en desarrollo (2025-2027)

MIRADAS es un espectrógrafo echelle multiobjeto desarrollado por la Universidad de Florida que opera con una resolución R=20000 en el rango infrarrojo. Permite acceder a objetos en un campo de visión de 5’ mediante el uso de brazos articulados y observar diferentes objetos a esta resolución mediante el uso de diferentes combinaciones de multiplexado y cobertura espectral.  MIRADAS está actualmente en periodo de pruebas en el laboratorio del GTC, y se espera que durante 2025 se instale en la estación focal Folded Cass-E para su comisionado en cielo.

FRIDA es el instrumento que será alimentado por el componente de GTCAO en el foco Nasmyth y fue diseñado, fabricado e integrado en el Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México. Permitirá obtener imagen y espectroscopía 3D trabajando al límite de difracción del GTC (0,04” en la banda K) con un muestreo adecuado. FRIDA incorpora un espectrógrafo de campo integral basado en un rebanador de imagen reflectivo y diferentes cámaras que permiten acceder a diferentes escalas espaciales en el cielo. Actualmente se encuentra en las fases finales del proyecto y se espera su envío al GTC para mediados de 2025.

La posibilidad de hacer espectroscopía de alta resolución (R>100000) era una capacidad no cubierta en el plan instrumental original del GTC. Por este motivo, GRANTECAN y el Observatorio Nacional de China (NAOC) firmaron un acuerdo en 2016 para cubrir este vacío, al tiempo que se impulsaba la colaboración científica y tecnológica entre China y la comunidad del GTC. Bajo este acuerdo, NAOC está desarrollando un espectrógrafo de alta resolución, CHORUS, que experimentó su fase de Diseño Preliminar en 2023 y se espera en el GTC a finales de 2027. 

CHORUS es un espectrógrafo de alta resolución (R=110000) ultraestable, diseñado para observaciones de fuentes puntuales y optimizado para alcanzar medidas de velocidad radial muy precisas (hasta 10 cm/s) en el rango visible (420-720 nm). Además, dispondrá de un espectrógrafo ultravioleta complementario que podrá usarse de forma simultánea con el espectrógrafo visible cubriendo el rango de 310 a 420 nm con una resolución de R=20000. Los principales objetivos científicos que guían el diseño de CHORUS serán la búsqueda de exo-Tierras y obtener medidas precisas de la química estelar.
 

Imagen del GTC durante las observaciones nocturnas. Se puede ver la Vía Láctea reflejada en los segmentos del espejo primario, compuesto por 36 espejos hexagonales de 1.9 metros aproximadamente. Créditos: Antonio Marante

Instrumentación futura (2030+)

A la vista del plan instrumental del GTC a corto plazo, se podría pensar que el telescopio dispone ya en la actualidad de un abanico instrumental suficiente para dar soporte a la comunidad de usuarios. Nada más lejos de la realidad. 

El Comité Asesor del GTC ha definido las líneas de actuación para el desarrollo instrumental del telescopio para finales de esta década, con el objetivo de definir la estrategia adecuada que permita aumentar la competitividad del GTC en los próximos años en el contexto de los intereses científicos de la comunidad del GTC, las fortalezas del telescopio y su ubicación en el ORM, las prestaciones que ofrece actualmente a la comunidad, y las capacidades competitivas existentes en el resto de observatorios, teniendo en cuenta que en esta década se pondrán en marcha potentes instalaciones telescópicas tanto en tierra como en el espacio. Estas líneas de actuación incluyen dos líneas diferentes de desarrollo:

1. Ampliar las capacidades de la Óptica Adaptativa en el GTC mediante el upgrade del sistema a un modo doble-conjugado, con la consiguiente adaptación de FRIDA a dicha actualización.

2. Desarrollar un instrumento capaz de realizar observaciones en modo imagen y espectroscopía desde el ultravioleta al infrarrojo cercano de forma simultánea, con el objeto de disponer de un instrumento capaz de seguir fenómenos transitorios en el Universo y proporcionar observaciones de alta eficiencia para programas científicos que requieran una amplia cobertura espectral.

Estas nuevas mejoras instrumentales permitirán, sin duda, que el GTC continúe mostrando un alto nivel de prestaciones en los próximos 10-15 años, manteniéndose como una instalación telescópica puntera de nuestro país por mucho más tiempo.