M1, el espejo primario del ELT, es la pieza central de esta revolucionaria máquina astronómica actualmente en construcción en el desierto de Atacama, Chile. Es la superficie que recogerá la luz de los objetos cósmicos, abriendo nuevos espacios de descubrimiento, desde exoplanetas cercanos y sus estrellas, hasta agujeros negros y los componentes básicos de las galaxias, tanto en el Universo local como a miles de millones de años luz de distancia.  

El M1 es, sin duda, uno de los aspectos más impresionantes y desafiantes de todo el proyecto ELT. Demasiado grande para fabricarse de una sola pieza de vidrio, el espejo de 39 metros de diámetro constará de 798 segmentos, cada uno de unos 5 centímetros de grosor, que miden unos 1,5 metros de ancho y pesan 250 kg, incluyendo su soporte. Dado que los segmentos deben funcionar como un solo espejo, requieren una infraestructura específica y sistemas de control. Esto representa un desafío, ya que toda la estructura se moverá constantemente durante las observaciones y se verá afectada por el viento y los cambios térmicos. Para lograr el rendimiento científico requerido, el espejo debe mantenerse en posición y forma con una precisión de decenas de nanómetros, 10000 veces más fino que un cabello humano, en todo su diámetro de 39 metros.   

Los segmentos del M1 comienzan su vida en SCHOTT (Alemania) como bloques de Zerodur^©, un material vitrocerámico con una expansión térmica muy baja. Después del moldeado y fabricación de los bloques de espejo hasta su forma aproximada en SCHOTT, los segmentos se entregan a Safran Reosc (Francia) que se encarga de dar forma a los segmentos y montarlos en sus sistemas de soporte, así como del pulido y las pruebas. VDL ETG Projects B.V., de los Países Bajos, es responsable de la producción y prueba de los soportes de segmentos, que actúan como la columna vertebral del espejo.

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Una de las maravillas tecnológicas más espectaculares del ELT de ESO es su espejo primario. El espejo cóncavo, de 39 metros de diámetro y 68,7 metros de radio de curvatura, está compuesto por cientos de segmentos asféricos fuera del eje, de 1,45 metros de diámetro. El espacio entre los segmentos es de 4 mm.

El M1 completo tiene una simetría séxtuple, con seis secciones idénticas de 133 segmentos cada una. En cada sección, los 133 segmentos son diferentes entre sí en forma y prescripción óptica; En otras palabras, hay 133 tipos de segmentos diferentes. Para facilitar el recubrimiento, habrá una séptima serie de 133 segmentos, es decir, uno para cada tipo de segmento. Los siete segmentos por familia permiten el intercambio de segmentos mientras el telescopio está fuera de línea: al sacar un segmento del telescopio para recubrirlo, éste se puede reemplazar inmediatamente por otro de la misma familia, que ha sido preparado de antemano. Tomando los siete sectores juntos, el ELT tendrá un total de 931 segmentos, 798 de los cuales estarán en el telescopio en un momento dado.

El M1 puede controlarse activamente de varias formas. Cada segmento se apoya en un ecualizador (whiffletree) de 27 puntos, un mecanismo que distribuye uniformemente la fuerza a través de la parte posterior del segmento utilizando 27 puntos de contacto en la superficie. La carga del ecualizador se puede ajustar a través de arneses para cambiar ligeramente la forma del espejo y compensar las aberraciones ópticas inducidas por la gravedad y los efectos térmicos. Además, cada conjunto de segmentos se puede mover en altura e inclinación en relación con la estructura mediante el uso de tres actuadores de posicionamiento (PACT). Estos tres actuadores pueden moverse de forma independiente con una precisión de 2 nm con una excursión máxima (o trazo) de 10 mm para ajustar su posición y mantener una perfecta alineación de todos los segmentos, creando efectivamente un espejo monolítico gigante. Para lograrlo, cada lado de cada segmento hexagonal tiene dos "sensores de borde" que miden constantemente el pistón, el espacio y fuerza trasversal con respecto al segmento adyacente con precisión nanométrica y proporcionan la información necesaria al sistema de control para activar los PACT, lo que permite que los segmentos funcionen para formar un sistema de imagen perfecto. 

Con todo, el M1 es un sistema colosal, con 798 segmentos, casi 2500 PACT y alrededor de 9000 sensores de borde (4500 pares), sin incluir el séptimo sector y los repuestos.

Cada segmento del M1 es un sustrato pulido, fabricado a sus dimensiones finales y equipado con pads de interfaz. Consiste en:  

• 27 pads axiales, seis laterales, y tres azimutales, las interfaces de montaje para el soporte del segmento.   
• Pads de interfaz de sensor/borde, las interfaces para la instalación de sensores de borde 
• Fiduciales (opcionales, pads fiduciales o áreas mecanizadas).

Cada bloque de segmento M1 es el sustrato del material del segmento. Se entrega circular, plano-cóncavo con una superficie frontal esférica fina. El bloque de espejo se entrega con la cavidad trasera y la superficie plana mecanizada y grabada al ácido en sus dimensiones y condiciones de superficie finales. A lo largo de la población de bloques de segmentos M1, la superficie óptica se fabrica en tres radios de curvatura diferentes para minimizar la eliminación de material durante el delineado.   

Cada soporte de segmento incluye soportes axiales y laterales y un control de relojería, unidos a un marco móvil. El soporte axial es un soporte isostático de 27 puntos, formado por tres ecualizadores (whiffletrees) de 9 puntos. Cada conjunto de segmentos M1 comprende un arnés de deformación con nueve actuadores de forma, que permiten la corrección de tres modos de deformación de segmentos: curvatura, astigmatismo y tribolado. Los actuadores modifican las fuerzas de apoyo axial aplicando un par en la ubicación de los pivotes del trípode de soporte axial. El arnés de deformación tiene un rango micrométrico y es un actuador "lento" (1,5 s de trazo). El soporte de segmentos también incluye contrapesos ajustables para compensar la variación de forma de los 133 tipos de segmentos. 

Los materiales y componentes de soporte del segmento se seleccionan para minimizar la desgasificación al vacío; El conjunto de segmentos se carga en tanques de vacío para el delineado con haz de iones (fabricación) y el recubrimiento óptico de la superficie (mantenimiento operativo). En el telescopio, el conjunto de segmentos se montará con un marco fijo que proporciona rigidez local a la subunidad M1 y una posición de referencia precisa al conjunto del espejo. 

En un acto celebrado en enero de 2017, se firmó un contrato para la producción de los sensores de borde con FAMES, un consorcio compuesto por Fogale (Francia) y MicroEpsilon (Alemania), junto con otros tres contratos del ELT (las celdas M2 y M3 con SENER y los bloques de espejo para M2 y M3 con SCHOTT). El contrato con FAMES cubre el diseño y la fabricación de un total de aproximadamente 9000 sensores de borde (~ 4500 pares) para los 798 segmentos hexagonales del M1. Estos sensores son los más precisos que jamás se hayan utilizado en un telescopio y pueden medir las posiciones relativas de los segmentos con una precisión de unos pocos nanómetros.

En una ceremonia realizada a fines de mayo de 2017, se firmaron dos importantes contratos para producir los 798 segmentos del M1. La primera se firmó con SCHOTT (Alemania) para la producción de los bloques del espejo. El segundo se firmó con Safran Reosc (Francia) para el pulido de las piezas y su integración con los soportes del segmento.

En enero de 2018, SCHOTT fabricó con éxito los primeros seis bloques del espejo en sus instalaciones en Maguncia. Después del fundido, los segmentos del espejo pasan por un proceso de enfriamiento lento y tratamiento térmico. A continuación, SCHOTT entrega las piezas a Reosc para el delineado y pulido, el corte en formas hexagonales, su integración en sus sistemas de soporte y pruebas ópticas antes de ser enviadas a Chile. Durante el proceso de pulido, cada segmento se pule hasta que no tenga ninguna irregularidad superficial superior a unos 8 nm. Para hacer frente al reto de entregar un número tan grande de segmentos pulidos en un plazo de siete años, Safran Reosc alcanzará una tasa máxima de producción de un segmento de espejo al día. Para satisfacer esta demanda, Safran Reosc renovó una instalación, en un edificio que solía almacenar motores de aviones, en su planta de Poitiers para producir en masa segmentos para el espejo M1 del ELT. 

En junio de 2017, ESO también firmó un contrato con la empresa Physik Instrumente GmbH & Co. KG (Alemania) para fabricar los PACT, que ajustarán continuamente las posiciones de los 798 segmentos hexagonales de M1 en la estructura del telescopio. Aparte de los contratos externos, M1 también requiere una cantidad significativa de trabajo interno en ESO; En octubre de 2017, se completó la revisión final del diseño del Sistema de Control Local M1 y ESO está elaborando un banco de pruebas crítico para desarrollar y validar los algoritmos de control del frente de onda del telescopio. 

Cabe destacar que la fabricación, montaje e instalación de M1 sólo representan sus primeros pasos, ya que M1 requerirá una constante reconfiguración. De hecho, para mantener la mejor reflectividad y sensibilidad del telescopio, cada espejo deberá ser recubierto cada 18 meses, como los espejos del VLT. Dado el número de segmentos, esto significa desmontar, recubrir y volver a instalar dos segmentos en el telescopio todos los días durante toda la vida del telescopio. Esto representa un esfuerzo logístico significativo, para mantener un proceso eficiente de remoción, lavado y recubrimiento, así como un plan de mantenimiento bien definido para los miles de componentes del ELT. Por esta razón, el séptimo sector de segmentos y la segunda unidad de mantenimiento (incluyendo las plantas de desmontaje, lavado y recubrimiento) son cruciales para gestionar el recubrimiento eficiente de los segmentos sin crear regularmente agujeros temporales en M1.  Así se garantiza un control óptimo del espejo y una calidad de imagen con los costes operativos más bajos, especialmente para las aplicaciones de óptica adaptativa extrema más exigentes.   

El espejo M1 indudablemente constituye uno de los subsistemas más desafiantes de todo el programa ELT. Comprende miles de componentes altamente sofisticados que requieren una precisión extrema, no sólo durante su fabricación, sino también durante la instalación y las observaciones. Desde luego, implica un desafío y el equipo del ELT está monitoreando de cerca el desarrollo de todos los componentes del M1.