Commissioning and on-sky performance verification of iLocater

Resumo Técnico: Comissionamento e Verificação de Desempenho no Céu do iLocater

Problema e Contexto Científico
O campo da espectroscopia de velocidade radial de precisão extrema (EPRV) avançou de medições de velocidades estelares com precisão de dezenas de metros por segundo na década de 1980 para precisão de sub-metro por segundo hoje. No entanto, o fator limitante para o progresso adicional é agora o ruído astrofísico proveniente de processos atmosféricos estelares, que tipicamente ocorrem na escala de metros por segundo. Para superar essa barreira, o campo requer instrumentos capazes de uma resolução espectral extremamente alta para resolver espectroscopicamente as perturbações nos perfis de linhas de absorção estelar causadas pela atividade estelar, distinguindo-as de verdadeiros desvios Doppler induzidos por exoplanetas em órbita. Alcançar essa resolução com a relação sinal-ruído (SNR) necessária exige grandes áreas de coleta. O iLocater foi projetado para atender a esses requisitos operando no limite de difração atrás do sistema de óptica adaptativa (AO) do Large Binocular Telescope (LBT), o maior telescópio óptico atualmente em operação.

Metodologia e Instrumentação
O iLocater é um espectrógrafo de alta resolução no infravermelho próximo (bandas Y e J, $\lambda = 966-1312$ nm) instalado no LBT. O sistema opera com um poder de resolução mediano de $R = 205.000$. A arquitetura do instrumento consiste em:

• Câmera de Aquisição: Localizada a jusante do sistema AO do LBT dentro do LBT Interferometer (LBTI), injetando luz em uma fibra monomodo (SMF) de 6 $\mu$m com um diâmetro no céu de 50 mas.
• Espectrógrafo: Uma unidade criogênica operando a 80-100 K com estabilidade térmica de milikelvin. Utiliza três SMFs de entrada projetadas em um detector H4RG-4096$\times$4096 pixels (do programa do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman).
• Unidade de Calibração: Inclui um laser de pente de frequências (LFC) da Menlo Systems, uma lâmpada de flat-field de halogênio, uma lâmpada de cátodo oco de urânio-néon e um etalon de Fabry-Pérot.
• Processamento de Dados: Os dados brutos são processados usando uma versão modificada do software HxRGproc para realizar amostragem up-the-ramp e corrigir o ruído de padrão 1/f. A extração preliminar em espectros 1D utiliza um código simulador baseado em MATLAB modificado, com uma solução de comprimento de onda quadrática simples derivada de identificação manual de linhas.

A fase de comissionamento envolveu uma campanha de testes em laboratório na Ohio State University (OSU) seguida por observações no céu no LBT. A primeira luz foi alcançada em 27 de junho de 2026 (UT 28 de junho). A rodada inicial de observação abrangeu quatro noites (27–30 de junho de 2026), durante as quais 142 exposições no céu de 31 alvos foram registradas, juntamente com observações solares obtidas no laboratório e no telescópio.

Resultos Principais
O artigo apresenta os dados de primeira luz e a verificação inicial de desempenho:

• Primeira Luz: O instrumento adquiriu com sucesso um espectro de Vega ($\alpha$ Lyr) na noite de 27 de junho de 2026.
• Sequência Espectral: As observações cobriram uma sequência espectral de B5 a M6, incluindo estrelas anãs e gigantes com magnitudes de banda J variando de 0,0 a 8,3. Estes dados permitem a avaliação da eficiência do sistema e da SNR como função do tempo de exposição e do tipo espectral.
• Observações Solares: Espectros solares foram obtidos no laboratório (janeiro de 2026) e no LBT (junho de 2026). Os dados de laboratório demonstraram a capacidade do instrumento de resolver o alargamento das asas de amortecimento telúricas conforme a massa de ar aumentava, evidenciando seu potencial para estudos de absorção telúrica de alta resolução.
• Desempenho de AO e Resolução de Binárias: Para testar o impacto da luz contaminante em observações de binárias próximas, a equipe observou Deneb ($\alpha$ Cyg) enquanto deslocava a fibra fora do eixo. O fluxo recuperado caiu por um fator de $>100$ em separações de aproximadamente 200 mas, consistente com os resíduos de AO observados na câmera de aquisição. O sistema demonstrou com sucesso a capacidade de obter espectros espacialmente resolvidos de binárias próximas ($\theta < 1''$).
• Operação Simultânea: A rodada de primeira luz demonstrou com sucesso a espectroscopia óptica de alta resolução simultânea com o instrumento PEPSI, cobrindo $\lambda = 383,7-906,7$ nm, validando o modo de instrumento conjunto.

Significância e Planos Futuros
O artigo afirma que o iLocater completou com sucesso sua implantação inicial e primeira luz, validando seu design e integração com o sistema de AO do LBT. O instrumento é agora capaz de obter espectros de infravermelho próximo de alta resolução de uma ampla gama de tipos estelares.

Os autores delineiam um plano de comissionamento para o outono de 2026 e início de 2027 para demonstrar plenamente suas capacidades de velocidade radial. Isso inclui:

• Avaliar a estabilidade de RV em uma temperatura de operação estável usando dados de calibração diários.
• Observar estrelas padrão de RV (coordenadas com o NEID) para estabelecer uma linha de base para variabilidade de RV próxima de zero.
• Observar hospedeiros conhecidos de Júpiteres quentes para recuperar sinais de RV astrofísicos.
• Observar trânsitos exoplanetários para medir o efeito Rossiter-McLaughlin e detectar a absorção do triplet metaestável de He I em 1083 nm, o que demonstraria prontidão para ciência precoce.

O artigo conclui que, embora a rodada de primeira luz tenha sido bem-sucedida, é necessário mais comissionamento para caracterizar totalmente o desempenho de RV do instrumento antes que ele possa buscar ciência precoce de risco compartilhado. O trabalho futuro inclui a finalização da adaptação do pipeline APERO para os dados do iLocater e a otimização do sistema óptico do espectrógrafo.