Al analizar los procesos internos de las galaxias a escala de las regiones donde se forma una estrella individual, HARMONI también ayudará a la comunidad astronómica a estudiar la formación de estrellas, las dinámicas de gases, la metalicidad y las salidas de gases de galaxias muy lejanas y con un nivel de detalle sin precedentes. Además, esos mismos datos también nos permitirán conocer qué fracción de las galaxias con un desplazamiento al rojo de z=2 se han estabilizado en discos que rotan y qué relación existe entre episodios de formación estelar puntuales y las emisiones de vientos, la acreción de materia o la evolución estable. Esto ofrecerá a los astrónomos y astrónomas la oportunidad de comprender qué mecanismos físicos causan que la tasa de formación estelar llegue a un máximo en este punto del desplazamiento al rojo, que corresponde a un tiempo retrospectivo de unos 10.3 billones de años. 

Asimismo, el modo de resolución angular alta de HARMONI ayudará a los astrónomos y astrónomas a analizar el entorno que rodea los núcleos de las galaxias, para así revelar no solo la relación entre la actividad de los núcleos activos de galaxia (AGN, por sus siglas en inglés) y la formación estelar, sino también permitir estimar la masa del agujero negro central supermasivo.

Al procesar de forma individual distintas estrellas en otras galaxias, la comunidad astronómica podrá conocer mejor su evolución dinámica y química. Estas poblaciones estelares resueltas son un verdadero archivo arqueológico de la historia de formación estelar y ensamblado dinámico de una galaxia. A la fecha, estudios con este nivel de sofisticación se han visto limitados a las galaxias muy cercanas, ya que las poblaciones de estrellas en galaxias más lejanas (por lo tanto, más antiguas) superan nuestras capacidades. Uno de los principales objetivos del ELT es lograr estudiar poblaciones estelares resueltas de galaxias masivas de distintas formas, con el fin de lograr alcanzar la vasta y diversa población de galaxias del Cúmulo de Virgo, que contiene unas 1.300 galaxias y cuyo centro se ubica a unos 54 millones de años luz. 

Para hacer mediciones directas de las propiedades dinámicas y químicas de las estrellas procesadas, HARMONI realizará mediciones precisas de velocidad que se combinarán con mediciones de la composición química (metalicidad) de una significativa cantidad de estrellas ubicadas en las distintas partes de una galaxia, como por ejemplo, el disco delgado, el grueso, el halo o el bulbo. Estas observaciones permitirán a los astrónomos y astrónomas estudiar el estado dinámico actual y, por lo tanto, las masas y distribuciones de la materia oscura en estos sistemas, así como su evolución química. Las simulaciones arrojan que los modos de resolución espectral más altos de HARMONI ofrecerán las mediciones de velocidad y metalicidad más precisas para un tiempo de integración fijo. Estas características se pueden medir en estrellas de secuencia principal en cúmulos globulares y en el campo de todo el halo de la Vía Láctea, lo cual permitirá estudiar en detalle todos los datos sobre el halo que arrojará la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea. También se podrán extender estos esfuerzos a otras eras y entornos de formación estelar en cúmulos de estrellas globulares en las galaxias enanas de la Nube de Magallanes. Por otro lado, el análisis de las galaxias elípticas masivas resultará un desafío mayor, pero las simulaciones demuestran que HARMONI podrá realizar mediciones precisas de velocidad y metalicidad debajo del extremo de la división roja gigante de la galaxia Centaurus A y observar 1.000 estrellas resueltas en tan solo 90 horas.

La comunidad astronómica cree que casi todas las galaxias de mayor tamaño tienen un agujero negro masivo en el centro. Poder observar de qué manera la relación entre estos agujeros negros y las galaxias que los alojan se va modificando con el paso del tiempo cósmico permitirá descubrir nuevos detalles sobre la formación y evolución de las galaxias y sus agujeros negros. La gran sensibilidad y resolución espacial de HARMONI permitirá a los astrónomos y astrónomas medir la masa de agujeros negros, las velocidades estelares y otras propiedades de las galaxias que los alojan en un desplazamiento al rojo cósmico de z=2. 

Y acercándonos a nuestro hogar, el modo de alto contraste especial de HARMONI permitirá obtener una caracterización espectral detallada de exoplanetas gigantes. El objetivo principal serán planetas de menos de 300 millones de años que orbiten su estrella entre 1 a 40 AU (la distancia entre el sol y la Tierra es 1 AU).

Los astrónomos y astrónomas también podrán elegir entre todo un rango de ajustes de resolución espectral (3.000, 7.000, 18.000) disponibles en todas las escalas espaciales que cubren longitudes de onda entre 0,47 μm y 2,45 μm, pero no de forma simultánea. El instrumento podrá operar con dos sistemas de óptica adaptativa diferentes que se encargarán de corregir la turbulencia atmosférica. Por un lado, el sistema de Óptica Adaptativa de Conjugación Única (SCAO, por sus siglas en inglés), que usa una estrella guía brillante (R≤16) para obtener una alta calidad de imagen Strehl en una pequeña porción del cielo y, por otro lado, el sistema de Óptica Adaptativa por Tomografía Láser (LTAO, por sus siglas en inglés) que combina estrellas guía láser con estrellas reales más tenues para así brindar calidad de imagen con límite de difracción en las bandas JHK en una porción más extensa del cielo. 

HARMONI se ubicará en la “parte lateral” del puerto Nasmyth en el ELT. El primer elemento en el recorrido óptico será un dicroico a elección del usuario que separará la luz en las longitudes de onda de alrededor de 600 nm, que luego se usa para las estrellas guías láser que permiten observaciones con el sistema LTAO con la luz de las estrellas guías naturales y artificiales. Este dicroico podrá retirarse para observaciones científicas en longitudes de onda visibles por debajo de los 600 nm. Al usar el sistema LTAO, la luz láser reflejada se envía a un sistema con sensores de estrellas guías láser que rota y que contiene seis sensores de frente de onda de estrellas guías láser. La luz que se transmite desde el dicroico en un campo visual de 120 minutos de arco de diámetro para fines científicos y para detectar las estrellas guías naturales se transmite luego al instrumento usando sistemas ópticos de transmisión en frío para minimizar el fondo térmico.  

Todo el conjunto de las piezas mecánicas y ópticas de HARMONI se ubicarán en un único criostato de gravedad invariable que mirará hacia arriba y estará refrigerado a una temperatura de unos 140 K. Un subsistema preóptico permitirá elegir entre cuatro escalas de spaxels, así como máscaras y filtros. Luego, el subsistema IFU repartirá la luz de todo el campo en cuatro aberturas lineales y cada una se enviará a uno de los cuatros subsistemas del espectrómetro. Cada espectrómetro luego colima, dispersa y enfoca la luz en un par de detectores de 4k x 4k que permiten elegir distintas potencias de resolución y rangos espectrales. 

Simulador

Herramienta para simular observaciones con el instrumento

Requisitos de nivel superior

Descripción de las características del instrumento requerida por el caso científico

HARMONI es posible gracias a un consorcio internacional compuesto por instituciones de investigación de cuatro continentes distintos. 

Las instituciones que conforman el consorcio de HARMONI son la Universidad de Oxford (Oxford, Reino Unido), el Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido (Edimburgo, Reino Unido), la Universidad de Durham (Reino Unido), el Centro de Investigación Astrofísica de Lyon (Lyon, Francia), el Laboratorio de Astrofísica de Marsella (Marsella, Francia), el Instituto de Astrofísica de las Islas Canarias (Santa Cruz de Tenerife, España), el Centro de Astrobiología de España (Torrejón de Ardoz, España), la Universidad de Michigan (Ann Arbor, Michigan, Estados Unidos), la Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales (ONERA, Francia), el Instituto de Planetología y Astrofísica de Grenoble (IPAG) y el Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología de Toulouse (IRAP).