Commissioning and on-sky performance verification of iLocater

Resumen Técnico: Comisionamiento y Verificación del Rendimiento en el Cielo de iLocater

Problema y Contexto Científico
El campo de la espectroscopía de velocidad radial de precisión extrema (EPRV) ha avanzado desde la medición de velocidades estelares con una precisión de decenas de metros por segundo en la década de 1980 hasta alcanzar la precisión de sub-metro por segundo en la actualidad. Sin embargo, el factor limitante para el progreso ulterior es ahora el ruido astrofísico derivado de los procesos atmosféricos estelares, que típicamente ocurren en la escala de metros por segundo. Para superar esta barrera, el campo requiere instrumentos capaces de una resolución espectral extremadamente alta para resolver espectroscópicamente las perturbaciones en el perfil de las líneas de absorción estelar causadas por la actividad estelar, distinguiéndolas de los verdaderos desplazamientos Doppler inducidos por exoplanetas en órbita. Lograr esta resolución con la relación señal-ruido (SNR) necesaria exige grandes áreas de recolección. iLocater fue diseñado para cumplir con estos requisitos operando en el límite de difracción detrás del sistema de óptica adaptativa (AO) del Gran Telescopio Binocular (LBT), el mayor telescopio óptico actualmente en operación.

Metodología e Instrumentación
iLocater es un espectrógrafo de alta resolución en el infrarrojo cercano (bandas Y y J, $\lambda = 966-1312$ nm) instalado en el LBT. El sistema opera con un poder de resolución mediano de $R = 205,000$. La arquitectura del instrumento consiste en:

• Cámara de Adquisición: Ubicada aguas abajo del sistema AO del LBT dentro del LBT Interferometer (LBTI), inyectando luz en una fibra monomodo (SMF) de 6 $\mu$m con un diámetro en el cielo de 50 mas.
• Espectrógrafo: Una unidad criogénica que opera a 80-100 K con estabilidad térmica de milikelvin. Utiliza tres SMF proyectadas sobre un detector H4RG-10 de 4096$\times$4096 píxeles (proveniente del programa del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman).
• Unidad de Calibración: Incluye un peine de frecuencias láser (LFC) de Menlo Systems, una lámpara de calibración de fondo (flat-field) de halógeno, una lámpara de cátodo hueco de uranio-neón y un etalón de Fabry-Pérot.
• Procesamiento de Datos: Los datos brutos se procesan utilizando una versión modificada del software HxRGproc para realizar un muestreo de up-the-ramp y corregir el ruido de patrón 1/f. La extracción preliminar en espectros 1D utiliza un código de simulador basado en MATLAB modificado, con una solución de longitud de onda cuadrática simple derivada de la identificación manual de líneas.

La fase de comisionamiento involucró una campaña de pruebas de laboratorio en la Universidad Estatal de Ohio (OSU) seguida de observaciones en el cielo en el LBT. La primera luz se logró el 27 de junio de 2026 (UT 28 de junio). La ejecución inicial de observación abarcó cuatro noches (27 al 30 de junio de 2026), durante las cuales se registraron 142 exposiciones en el cielo de 31 objetivos, junto con observaciones solares obtenidas en el laboratorio y en el telescopio.

Resultados Clave
El artículo presenta los datos de la primera luz y la verificación inicial del rendimiento:

• Primera Luz: El instrumento adquirió con éxito un espectro de Vega ($\alpha$ Lyr) en la noche del 27 de junio de 2026.
• Secuencia Espectral: Las observaciones cubrieron una secuencia espectral desde B5 hasta M6, incluyendo tanto enanas como gigantes con magnitudes en la banda J de 0.0 a 8.3. Estos datos permiten evaluar la eficiencia del sistema y la SNR en función del tiempo de exposición y el tipo espectral.
• Observaciones Solares: Se obtuvieron espectros solares en el laboratorio (enero de 2026) y en el LBT (junio de 2026). Los datos de laboratorio demostraron la capacidad del instrumento para resolver el ensanchamiento de las alas de amortiguamiento telúricas a medida que aumentaba la masa de aire, mostrando su potencial para estudios de absorción telúrica de alta resolución.
• Rendimiento de AO y Resolución de Binarias: Para probar el impacto de la luz contaminante en observaciones de binarias cercanas, el equipo observó Deneb ($\alpha$ Cyg) mientras desplazaba la fibra fuera de eje. El flujo recuperado cayó por un factor de $>100$ en separaciones de aproximadamente 200 mas, consistente con los residuos de AO observados en la cámara de adquisición. El sistema demostró con éxito la capacidad de obtener espectros espacialmente resueltos de binarias cercanas ($\theta < 1''$).
• Operación Simultánea: La ejecución de la primera luz demostró con éxito la espectroscopía óptica de alta resolución simultánea con el instrumento PEPSI, cubriendo $\lambda = 383.7-906.7$ nm, validando el modo de instrumento conjunto.

Significancia y Planes Futuros
El artículo afirma que iLocater ha completado con éxito su despliegue inicial y su primera luz, validando su diseño e integración con el sistema de AO del LBT. El instrumento es ahora capaz de obtener espectros de alta resolución en el infrarrojo cercano de una amplia gama de tipos estelares.

Los autores describen un plan de comisionamiento para el otoño de 2026 y principios de 2027 para demostrar plenamente las capacidades de velocidad radial del instrumento. Esto incluye:

• Evaluar la estabilidad de la RV a una temperatura de operación estable utilizando datos de calibración diarios.
• Observar estrellas estándar de RV (en coordinación con NEID) para establecer una línea base de variabilidad de RV cercana a cero.
• Observar huéspedes conocidos de Júpiter calientes para recuperar señales de RV astrofísicas.
• Observar tránsitos exoplanetarios para medir el efecto Rossiter-McLaughlin y detectar la absorción del triplete metaestable de He I a 1083 nm, lo que demostraría la preparación para la ciencia temprana.

El artículo concluye que, si bien la ejecución de la primera luz fue exitosa, se requiere un mayor comisionamiento para caracterizar completamente el rendimiento de RV del instrumento antes de que pueda perseguir ciencia temprana de riesgo compartido. El trabajo futuro incluye la finalización de la adaptación del pipeline APERO para los datos de iLocater y la optimización del sistema óptico del espectrógrafo.