Telescopio extremadamente grande

El Telescopio extremadamente grande ()ELT) es un observatorio astronómico en construcción. Cuando se complete, será el mayor telescopio óptico/anteriormente infrarrojo del mundo extremadamente grande. Parte de la Agencia Europea del Observatorio Sur (ESO), se encuentra en la parte superior del Cerro Armazones en el Desierto de Atacama del norte de Chile.

El diseño consta de un telescopio reflector con un espejo primario segmentado de 39,3 metros de diámetro (130 pies) y un espejo secundario de 4,2 m (14 pies) de diámetro. El telescopio contará con el respaldo de óptica adaptativa, seis unidades de estrellas guía láser y múltiples instrumentos científicos de gran tamaño. El diseño del observatorio captará 100 millones de veces más luz que el ojo humano, lo que equivale a unas 10 veces más luz que los mayores telescopios ópticos existentes a partir de 2023, y corregirá la distorsión atmosférica. Tiene alrededor de 250 veces el área de captación de luz del Telescopio Espacial Hubble y, según las especificaciones del ELT, proporcionaría imágenes 16 veces más nítidas que las del Hubble.

El proyecto se llamaba originalmente Telescopio europeo extremadamente grande ()E-ELT), pero el nombre fue acortado en 2017. El ELT está destinado a promover el conocimiento astrofísico permitiendo estudios detallados de planetas alrededor de otras estrellas, las primeras galaxias del Universo, agujeros negros supermasivos y la naturaleza del sector oscuro del Universo, y a detectar moléculas orgánicas y de agua en discos protoplanetarios alrededor de otras estrellas. Como estaba previsto en 2011, la instalación tardaría 11 años en construir, de 2014 a 2025.

El 11 de junio de 2012, el Consejo de ESO aprobó los planes del programa ELT para comenzar las obras civiles en el sitio del telescopio, con la construcción del telescopio pendiente de un acuerdo final con los gobiernos de algunos estados miembros. Los trabajos de construcción en el sitio del ELT comenzaron en junio de 2014. En diciembre de 2014, ESO había asegurado más del 90% de la financiación total y autorizó el inicio de la construcción del telescopio, que costará alrededor de mil millones de euros para la primera fase de construcción. La primera piedra del telescopio se colocó ceremonialmente el 26 de mayo de 2017, iniciando la construcción de la estructura principal de la cúpula y el telescopio. El telescopio pasó la mitad de su desarrollo y construcción en julio de 2023, y su finalización y primera luz estaban previstas en ese momento para 2028.

Historia

El 26 de abril de 2010, el Consejo del Observatorio Europeo Austral (ESO) seleccionó Cerro Armazones, Chile, como el sitio de referencia para el ELT planificado. Otros sitios que estuvieron en discusión incluyeron Cerro Macón, Salta, en Argentina; Observatorio Roque de los Muchachos, en Canarias; y sitios en el norte de África, Marruecos y la Antártida.

Los primeros diseños incluían un espejo primario segmentado con un diámetro de 42 metros (140 pies) y un área de aproximadamente 1300 m² (14 000 pies cuadrados), con un espejo secundario con un diámetro de 5,9 m (19 pies). Sin embargo, en 2011 se presentó una propuesta para reducir el tamaño total en un 13 % a 978 m², con un espejo primario de 39,3 m (130 pies) de diámetro y un espejo secundario de 4,2 m (14 pies) de diámetro. . Esto redujo los costes previstos de 1.275 millones a 1.055 millones de euros y debería permitir que el telescopio esté terminado antes. La secundaria más pequeña es un cambio particularmente importante; 4,2 m (14 pies) lo coloca dentro de las capacidades de múltiples fabricantes, y la unidad de espejo más liviana evita la necesidad de materiales de alta resistencia en la araña de soporte del espejo secundario.

El Director General de ESO comentó en un comunicado de prensa de 2011 que "con el nuevo diseño del E-ELT aún podemos satisfacer los audaces objetivos científicos y también garantizar que la construcción se pueda completar en sólo 10 o 11 minutos". años." El Consejo de ESO aprobó el diseño de referencia revisado en junio de 2011 y esperaba una propuesta de construcción para su aprobación en diciembre de 2011. Posteriormente se incluyó financiamiento en el presupuesto de 2012 para que el trabajo inicial comenzara a principios de 2012. El proyecto recibió la aprobación preliminar en junio de 2012. Aprobado por ESO El inicio de la construcción en diciembre de 2014, con más del 90% de financiación del presupuesto nominal asegurado.

La fase de diseño del anastigmat de cinco espejos se financió en su totalidad con el presupuesto de ESO. Con los cambios de 2011 en el diseño básico (como la reducción del tamaño del espejo primario de 42 m a 39,3 m), en 2017 el coste de construcción se estimó en 1.150 millones de euros (incluidos los instrumentos de primera generación). En 2014, el inicio de operaciones estaba previsto para 2024. La construcción real comenzó oficialmente a principios de 2017 y, a partir de 2023, la primera luz está prevista para 2028.

Planificación

ESO se centró en el diseño actual después de que un estudio de viabilidad concluyera que el Telescopio Abrumadoramente Grande propuesto, de 100 m (328 pies) de diámetro, costaría 1.500 millones de euros (1.000 millones de libras esterlinas) y sería demasiado complejo. Tanto la tecnología de fabricación actual como las limitaciones del transporte por carretera limitan los espejos individuales a aproximadamente 8 m (26 pies) por pieza. Los siguientes telescopios más grandes actualmente en uso son los Telescopios Keck, el Gran Telescopio Canarias y el Gran Telescopio de África Austral, cada uno de los cuales utiliza pequeños espejos hexagonales ensamblados para formar un espejo compuesto de poco más de 10 m (33 pies) de ancho. El ELT utiliza un diseño similar, así como técnicas para evitar la distorsión atmosférica de la luz entrante, conocida como óptica adaptativa.

Un espejo de 40 metros permitirá estudiar las atmósferas de los planetas extrasolares. El ELT es la máxima prioridad en las actividades europeas de planificación de infraestructuras de investigación, como la Hoja de Ruta de Infraestructura y Visión Científica de Astronet y la Hoja de Ruta ESFRI. El telescopio se sometió a un estudio de Fase B en 2014 que incluyó "contratos con la industria para diseñar y fabricar prototipos de elementos clave como los segmentos del espejo primario, el cuarto espejo adaptativo o la estructura mecánica (...) [y] estudios conceptuales para ocho instrumentos".

Diseño

El ELT utilizará un diseño novedoso con un total de cinco espejos. Los primeros tres espejos son curvos (no esféricos) y forman un diseño anastigmat de tres espejos para una excelente calidad de imagen en el campo de visión de 10 minutos de arco (un tercio del ancho de la Luna llena). Los espejos cuarto y quinto son (casi) planos y, respectivamente, proporcionan corrección óptica adaptativa para distorsiones atmosféricas (espejo 4) y corrección de inclinación de punta para estabilización de imagen (espejo 5). Los espejos cuarto y quinto también envían la luz lateralmente a una de las dos estaciones focales de Nasmyth a cada lado de la estructura del telescopio, lo que permite montar múltiples instrumentos grandes simultáneamente.

Contratos de espejos y sensores ELT

Espejo primario

El espejo primario de 39 metros estará compuesto por 798 segmentos hexagonales, cada uno de aproximadamente 1,4 metros de ancho y 50 mm de espesor. Se recubrirán y reemplazarán dos segmentos cada día laborable, para mantener el espejo siempre limpio y altamente reflectante.

Los sensores de borde miden constantemente las posiciones de los segmentos del espejo primario en relación con sus vecinos inmediatos. Los actuadores de 2394 posiciones (3 para cada segmento) utilizan esta información para ajustar el sistema, manteniendo la forma general de la superficie sin cambios contra deformaciones causadas por factores externos como el viento, la gravedad, los cambios de temperatura y las vibraciones.

En enero de 2017, ESO adjudicó el contrato para la fabricación de los sensores de borde 4608 al consorcio FAMES, compuesto por Fogale y Micro-Epsilon. Estos sensores pueden medir posiciones relativas con una precisión de unos pocos nanómetros, la más precisa jamás utilizada en un telescopio.

En mayo de 2017, ESO adjudicó dos contratos adicionales. Uno de ellos fue para Schott AG, que fabricará los espacios en bruto de los 798 segmentos, así como un juego de mantenimiento para 133 segmentos adicionales. Este conjunto de mantenimiento permite retirar, reemplazar y recubrir los segmentos de forma rotativa una vez que el ELT esté en funcionamiento. El espejo está fabricado con la misma cerámica Zerodur de baja expansión que los espejos del Very Large Telescope existentes en Chile.

El otro contrato se adjudicó a la empresa francesa Safran Reosc, filial de Safran Electronics & Defensa. Recibirán los espejos en bruto de Schott y pulirán un segmento de espejo por día para cumplir el plazo de siete años. Durante este proceso, cada segmento se pulirá hasta que no tenga ninguna irregularidad en la superficie superior a 7,5 nm de raíz cuadrática media. Posteriormente, Safran Reosc montará, probará y completará todas las pruebas ópticas antes de la entrega. Este es el segundo contrato más grande para la construcción de ELT y el tercer contrato más grande jamás firmado por ESO.

Las unidades del sistema de soporte de segmentos para el espejo primario están diseñadas y producidas por CESA (España) y VDL (Países Bajos). Los contratos firmados con ESO también incluyen la entrega de instrucciones y planos de ingeniería detallados y completos para su producción. Adicionalmente, incluyen el desarrollo de los procedimientos necesarios para integrar los soportes con los segmentos de vidrio ELT; manipular y transportar los conjuntos de segmentos; y para operarlos y mantenerlos.

A julio de 2023, se han fabricado más del 70 % de los segmentos en bruto de espejos y sus estructuras de soporte.

Espejo secundario

Fabricar el espejo secundario es un gran desafío ya que es muy convexo y asférico. También es muy grande; Con 4,2 metros de diámetro y un peso de 3,5 toneladas, será el espejo secundario más grande jamás empleado en un telescopio óptico y el espejo convexo más grande jamás producido.

En enero de 2017, ESO adjudicó un contrato para el espejo en bruto a Schott AG, quien lo fundió ese mismo año desde Zerodur.

También son necesarias celdas de soporte complejas para garantizar que los espejos secundarios y terciarios flexibles conserven su forma y posición correctas; estas células de apoyo serán proporcionadas por SENER. Al igual que el espejo terciario, el espejo secundario estará montado sobre 32 puntos, 14 en sus bordes y 18 en su parte posterior. Todo el conjunto se montará en un hexápodo, lo que permitirá alinear su posición cada pocos minutos con una precisión submicrométrica. Las deformaciones en el espejo secundario tienen un efecto mucho menor en la imagen final en comparación con los errores en los espejos terciario, cuaternario o quinario.

Safran Reosc está puliendo y probando la pieza de vitrocerámica preformada del espejo secundario. El espejo será moldeado y pulido con una precisión de 15 nanómetros (15 millonésimas de milímetro) sobre la superficie óptica.

Espejo terciario

El espejo terciario cóncavo de 3,8 metros, también fabricado en Zerodur, será una característica inusual del telescopio. La mayoría de los grandes telescopios actuales, incluidos el VLT y el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, utilizan dos espejos curvos para formar una imagen. En estos casos, a veces se introduce un espejo terciario pequeño y plano para desviar la luz hacia un foco conveniente. Sin embargo, en el ELT el espejo terciario también tiene una superficie curva, ya que el uso de tres espejos ofrece una mejor calidad de imagen final en un campo de visión más amplio de lo que sería posible con un diseño de dos espejos.

Al igual que el espejo secundario (con el que comparte muchas características de diseño), el espejo terciario será ligeramente deformable para permitir corregir las desviaciones periódicamente. Ambos espejos estarán montados en 32 puntos, 18 en la parte trasera y 14 en los bordes.

Hasta julio de 2023, el espejo terciario ha sido fundido y está en pulido.

Espejo cuaternario

El espejo cuaternario de 2,4 metros es un espejo adaptativo plano de 2 milímetros de espesor. Con hasta 8.000 actuadores, la superficie se puede reajustar mil veces por segundo. El espejo deformable será el espejo adaptativo más grande jamás fabricado y consta de seis pétalos, sistemas de control y actuadores de bobina móvil. La distorsión de la imagen provocada por las turbulencias de la atmósfera terrestre se puede corregir en tiempo real, así como las deformaciones provocadas por el viento en el telescopio principal. El sistema de óptica adaptativa del ELT proporcionará una mejora de aproximadamente un factor de 500 en la resolución en comparación con las mejores condiciones de visión logradas hasta ahora sin óptica adaptativa.

El consorcio AdOptica, asociado con INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) como subcontratistas, es responsable del diseño y fabricación del espejo cuaternario. Los 6 pétalos fueron moldeados por Schott en Alemania y pulidos por Safran Reosc.

A julio de 2023, los 6 pétalos están terminados y en proceso de integración en su estructura de soporte. También se han completado y se encuentran en prueba las seis fuentes láser para el sistema de óptica adaptativa, que funcionarán mano a mano con el espejo cuaternario.

Espejo quinario

El espejo quinario de 2,7 metros por 2,2 metros es un espejo inclinable que se utiliza para refinar la imagen mediante óptica adaptativa. El espejo incluirá un sistema rápido de inclinación de punta para estabilización de imagen que compensará las perturbaciones causadas por el viento, la turbulencia atmosférica y el propio telescopio antes de llegar a los instrumentos del ELT.

Cúpula y estructura del ELT

Construcción de cúpula

La cúpula del ELT tendrá una altura de casi 74 metros desde el suelo y un diámetro de 86 metros, lo que la convierte en la cúpula más grande jamás construida para un telescopio. La cúpula tendrá una masa total de alrededor de 6100 toneladas, y el soporte del telescopio y la estructura del tubo tendrán una masa total en movimiento de alrededor de 2800 toneladas.

Para la rendija de observación, se estaban estudiando dos diseños principales: uno con dos juegos de puertas encajadas y el diseño básico actual, es decir, un solo par de puertas correderas grandes. Este par de puertas tiene un ancho total de 45,3 m.

ESO firmó un contrato para su construcción, junto con la estructura principal de los telescopios, con el Consorcio AC italiano, compuesto por Astaldi y Cimolai y el subcontratista nominado, Grupo EIE de Italia. La ceremonia de firma tuvo lugar el 25 de mayo de 2016 en la Sede de ESO en Garching bei München, Alemania.

La cúpula proporciona la protección necesaria al telescopio en condiciones climáticas adversas y durante el día. Se evaluaron varios conceptos para la cúpula. El concepto básico para el domo ELT de clase 40 m es un domo casi hemisférico, que gira sobre un muelle de concreto, con puertas curvas que se abren lateralmente. Se trata de una reoptimización del diseño anterior, con el objetivo de reducir costes, y se está revalidando para que esté listo para la construcción.

Un año después de la firma del contrato, y después de la ceremonia de colocación de la primera piedra en mayo de 2017, el sitio fue entregado a ACe, lo que significó el inicio de la construcción de la estructura principal de la cúpula.

Rendimiento astronómico

En términos de rendimiento astronómico, se requiere que la cúpula pueda rastrear aproximadamente el lugar de evitación cenital de 1 grado, así como preestablecer un nuevo objetivo en 5 minutos. Esto requiere que la cúpula pueda acelerar y moverse a velocidades angulares de 2 grados/s (la velocidad lineal es de aproximadamente 5 km/h).

La cúpula está diseñada para permitir total libertad al telescopio para que pueda posicionarse ya sea que esté abierto o cerrado. También permitirá observaciones desde el cenit hasta 20 grados del horizonte.

Parabrisas

Con una apertura tan grande, la cúpula ELT requiere la presencia de un parabrisas para proteger los espejos del telescopio (aparte de la secundaria), de la exposición directa al viento. El diseño de base del parabrisas minimiza el volumen necesario para albergarlo. Dos cuchillas esféricas, ambos lados de las puertas cortadas de observación, se deslizan frente a la abertura del telescopio para restringir el viento.

Ventilación y aire acondicionado

El diseño del domo garantiza que el domo proporcione suficiente ventilación para que el telescopio no se vea limitado por la visión del domo. Para ello, la cúpula también está equipada con lamas, por lo que el parabrisas está diseñado para permitirles cumplir su función.

Se están llevando a cabo simulaciones computacionales de dinámica de fluidos y trabajo en túnel de viento para estudiar el flujo de aire dentro y alrededor de la cúpula, así como la efectividad de la cúpula y el parabrisas para proteger el telescopio.

Además de estar diseñado para ser resistente al agua, la estanqueidad al aire también es uno de los requisitos, ya que es fundamental minimizar la carga de aire acondicionado. La climatización de la cúpula es necesaria no sólo para preparar térmicamente el telescopio para la próxima noche, sino también para mantener limpia la óptica del telescopio.

El aire acondicionado del telescopio durante el día es fundamental y las especificaciones actuales permiten que la cúpula enfríe el telescopio y el volumen interno en 10 °C durante 12 horas.

Objetivos científicos

El ELT buscará planetas extrasolares, es decir, planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Esto incluirá no sólo el descubrimiento de planetas con masas similares a las de la Tierra mediante mediciones indirectas del movimiento oscilante de las estrellas perturbadas por los planetas que las orbitan, sino también la obtención de imágenes directas de planetas más grandes y posiblemente incluso la caracterización de sus atmósferas. El telescopio intentará obtener imágenes de exoplanetas similares a la Tierra.

Además, el conjunto de instrumentos del ELT permitirá a los astrónomos sondear las primeras etapas de la formación de sistemas planetarios y detectar agua y moléculas orgánicas en discos protoplanetarios alrededor de estrellas en formación. Así, el ELT responderá preguntas fundamentales sobre la formación y evolución de los planetas.

Al sondear los objetos más distantes, el ELT proporcionará pistas para comprender la formación de los primeros objetos que se formaron: estrellas primordiales, galaxias primordiales y agujeros negros y sus relaciones. Los estudios de objetos extremos como los agujeros negros se beneficiarán del poder del ELT para obtener más información sobre los fenómenos dependientes del tiempo relacionados con los diversos procesos que intervienen en torno a los objetos compactos.

El ELT está diseñado para realizar estudios detallados de las primeras galaxias. Las observaciones de estas galaxias tempranas con el ELT darán pistas que ayudarán a comprender cómo se forman y evolucionan estos objetos. Además, el ELT será una herramienta única para hacer un inventario del contenido cambiante de los distintos elementos del Universo con el tiempo y para comprender la historia de la formación estelar en las galaxias.

Uno de los objetivos del ELT es la posibilidad de realizar una medición directa de la aceleración de la expansión del Universo. Una medición así tendría un impacto importante en nuestra comprensión del Universo. El ELT también buscará posibles variaciones de las constantes físicas fundamentales con el tiempo. Una detección inequívoca de tales variaciones tendría consecuencias de gran alcance para nuestra comprensión de las leyes generales de la física.

Instrumentación

El telescopio tendrá varios instrumentos científicos y podrá cambiar de un instrumento a otro en cuestión de minutos. El telescopio y la cúpula también podrán cambiar de posición en el cielo y comenzar una nueva observación en poco tiempo.

Cuatro de sus instrumentos, la primera generación, estarán disponibles al amanecer o poco después, mientras que otros dos comenzarán a funcionar más tarde. A lo largo de su funcionamiento se pueden instalar otros instrumentos.

La primera generación incluye cuatro instrumentos: MICADO, HARMONI y METIS, junto con el sistema de óptica adaptativa MORFEO.

• HARMONI: El espectrógrafo de campo integral de alta resolución angular (HARMONI) funcionará como instrumento de caballo de trabajo del telescopio para la espectroscopia.
• METIS: El Mid-infrared ELT Imager y Spectrograph (METIS) será un imágen de infrarrojo medio y un espectrógrafo.
• MICADO: La cámara de imágenes para observaciones profundas (MICADO) será la primera cámara de imágenes dedicada para el ELT y trabajará con el Relé de óptica adaptativa multiconjugada para las observaciones ELT,MORFEO, antes MAORIA).

La segunda generación de instrumentos está formada por MOSAIC y ANDES.

• MOSAIC: Un espectrógrafo multiobjeto propuesto que permitirá a los astrónomos rastrear el crecimiento de las galaxias y la distribución de la materia desde poco después del Big Bang hasta el presente.
• ANDES (antes HIRES): El espectrógrafo de dispersión alta de ArmazoNes se utilizará para buscar indicaciones de vida en exoplanetas similares a la Tierra, encontrar las estrellas primogénitas del universo, probar posibles variaciones de las constantes fundamentales de la física, y medir la aceleración de la expansión del Universo.

Comparación

Uno de los telescopios ópticos más grandes que funcionan en la actualidad es el Gran Telescopio Canarias, con una apertura de 10,4 m y un área de recogida de luz de 74 m². Otros telescopios extremadamente grandes planeados incluyen el Telescopio Gigante de Magallanes de 25 m/368 m² y el Telescopio de Treinta Metros de 30 m/655 m², que también apuntan a la segunda mitad del Década 2020 para su finalización. Estos otros dos telescopios pertenecen aproximadamente a la misma próxima generación de telescopios ópticos terrestres. Cada diseño es mucho más grande que los telescopios anteriores.

El tamaño del ELT se ha reducido con respecto a su diseño original (Overwhelmingly Large Telescope). Incluso con esa reducción, el ELT es significativamente más grande que los otros dos telescopios extremadamente grandes planeados. Su objetivo es observar el universo con mayor detalle que el Telescopio Espacial Hubble, tomando imágenes 15 veces más nítidas, aunque está diseñado para ser complementario a los telescopios espaciales, que normalmente tienen un tiempo de observación disponible muy limitado. El espejo secundario de 4,2 metros del ELT tiene el mismo tamaño que el espejo primario del Telescopio William Herschel, el segundo telescopio óptico más grande de Europa.

El ELT en condiciones ideales tiene una resolución angular de 0,005 segundos de arco, lo que corresponde a separar dos fuentes de luz a 1 AU de una distancia de 200 pc (650 ly), o dos fuentes de luz a 30 cm de distancia de aproximadamente 12.000 km. A 0,03 segundos de arco, se espera que el contraste sea de 10⁸, suficiente para buscar exoplanetas. El ojo humano sin ayuda tiene una resolución angular de 1 minuto de arco, lo que corresponde a separar dos fuentes de luz a 30 cm de distancia a 1 km de distancia.

Galería

• La impresión del artista del telescopio extremadamente grande (ELT) en su recinto en Cerro Armazones durante las observaciones nocturnas. Los cuatro rayos disparando hacia el cielo son láseres que crean estrellas artificiales en la atmósfera de la Tierra.
• Este video muestra la impresión de un artista del telescopio extremadamente grande, el ELT. La cúpula protectora se ve abierta por una noche observando los cielos ópticos e infrarrojos.
• Vista 3D del nuevo camino al Cerro Armazones en el desierto chileno. El camino se extiende desde la ruta pública B-710 hasta la cima de la montaña donde se sentará el Telescopio Extremo Europeo (E-ELT).
• El 19 de junio de 2014, se alcanzó un hito importante en la construcción del ELT. Parte del Cerro Armazones fue volado. Este vídeo proporciona una mirada más cercana al evento. Tenga en cuenta que sólo se proporciona el sonido natural.
• Los trabajadores de la construcción que utilizan maquinaria pesada trabajan en el desierto de Atacama para aplanar la cima de la montaña para una plataforma lo suficientemente grande como para albergar el ELT
• Esta vista de cámara de drones da una indicación temprana de la escala del proyecto.
• Un video que describe lo que será el ELT
• Estos drones visuales de Gerhard Hüdepohl muestran la futura ubicación del ELT en el entorno tranquilo del desierto de Chile, a partir de septiembre de 2016.

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  Presentación del instrumento MICADO
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  El cielo nocturno sobre el sitio de construcción para el telescopio extremadamente grande

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  Interpretación del artista del ELT en operación
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  Diagrama del espejo primario ELT de 40m de clase
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  ELT comparado con uno de los cuatro telescopios de unidad VLT existentes en Cerro Paranal, Chile
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  Entrega del ELT durante el día
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  Modelo de la estructura gigantesca e intrincada dentro del recinto del ELT
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  Cierre del espejo primario ELT (impresión del artista)