4MOST è stato progettato per compiereindagini astronomiche (survey) di tipo galattico ed extra-galattico; astrofisica delle alte energie,cosmologia. Tali indagini, programmate a cadenza e di durata quinquennale sfruttano e sono di complemento per indagini ad ampio campo visivo qualiGAIA,DES,SKA,PLATO,LSST,eROSITA[2]. Con un ampio campo visuale ed un elevato numero di canali di comunicazione afibra, lo strumento sarà la più grande struttura di rilevamento spettroscopico nell'emisfero australe con una sensibilità tale da raggiungere, per un'osservazione della durata di due ore, unredshift r di ~22ªmagnitudine[3]; per galassie enuclei galattici attivi, di rilevare lavelocità radiale di qualsiasi sorgente stellare entro unaMagnitudine apparente di 22,5 e la presenza sino a 15elementi chimici per stelle entro la 12ª magnitudine. Durante una campagna quinquennale può sondare per due volte un'area di 17000° quadrati (~180*90°, 1/4 della volta celeste), ottenere glispettri di 20 milioni di sorgenti in modalità a bassa risoluzione conpotere risolutivo R ~ 6000 e 3 milioni di spettri ad alta risoluzione R ~ 20000[4].
Il progetto 4MOST si sviluppa in tre fasi principali, gestite da tre distinti gruppi di lavoro:
Lo strumento: è costruito da un consorzio di istituti di ricerca guidato dall'istituto Leibniz per l'astrofisica di Potsdam. Il gruppo è responsabile per lo sviluppo, la costruzione e il funzionamento dell'hardware e del software correlato;
L'operatività: pertinente alla pianificazione, gestione dei dati e pubblicazione delle osservazioni con gli archivi di dati associati;
Programmi scientifici: il gruppo è responsabile per l'identificazione e lo sviluppo delle differenti indagini scientifiche.
Lo strumento è dotato di unCorrettore ad Ampio Campo (Wide Field Corrector, WFC) equipaggiato con unCompensatore di Dispersione Atmosferica (ADC)[5] che fornisce una superficie focale stabile di 2,6° di diametro. Due camere di Acquisizione e Puntamento (A&G)[6][7] assicurano un corretto puntamento del telescopio e quattro sensori difronte d'onda timonano il sistema diottica attiva. Il sistema di posizionamento AESOP[7][8] delle fibre ottiche consente di allocare tutte le 2436 fibre disponibili alle posizioni richieste sulla superficie focale curva del telescopio[9]. Le fibre equamente suddivise numericamente, conducono i segnali ottici ai tre spettrografi dello strumento: due operano in modalità a bassa risoluzione (R~ 6000) a temperatura controllata ed uno ad alta risoluzione (R ~ 20000) isolato termicamente. Il sistema di calibrazione di tipoFabry-Perot mediante lampade ThAr[10] (Torio-Argon) in combinazione con la tecnologia afibra consentono di raggiungere un'accuratezza di 1 km/s divelocità radiale stellare. Il tempo necessario al puntamento del telescopio e la ricalibrazione delle fibre per configurare una nuova osservazione è stimato intorno ai sette minuti.
4MOST, a differenza di altri strumenti dell'ESO, consente di effettuare più campagne osservative contemporaneamente. Quando le indagini richiedono diversitempi di esposizione durante l'osservazione di una comuneporzione di cielo, le fibre ottiche preposte altrasferimento dei segnali-luce sono rese disponibili e commutate alle indagini ancora in atto, sino al raggiungimento delrapporto segnale/rumore richiesto. Le indagini vengono così svolte senza soluzione di continuità.[11] I gruppi di ricerca costituenti il consorzio 4MOST detengono la maggior parte della titolarità sulle indagini programmate, disponendo anche del 70% del tempo programmato.
Il restante 30% è proposto alla comunità astronomica su basepeer-review. Tali osservazioni vengono stabilite mediante un processo a due passaggi: in prima battuta ESO propone alla comunità scientifica la partecipazione a progetti di rilevamento pubblico (Public Surveys Projects),[12] a cui si concorre tramite una "lettera di intenti", nella quale il richiedente espone in sunto l'oggetto bersaglio dell'osservazione voluta, il tempo richiesto e gli strumenti interessati.[13] In seguito, in base ai meriti scientifici e al valore opportunistico globale dell'oggetto osservato, a un sottogruppo dei richiedenti viene proposto di ripresentare con piena documentazione l'indagine osservativa desiderata. Per il primo quinquennio, a novembre 2021 sono state selezionate 15 campagne.
Le campagne osservative sono ad ampio campo ed hanno durata quinquennale. Nuove indagini vengono successivamente selezionate dopo cinque anni ed avviate dopo un breve periodo di test. Tutte le indagini sono pubbliche ed idati grezzi (raw data) sono resi accessibili obbligatoriamente ed immediatamente al termine di ogni survey. La comunità scientifica non direttamente collegata agli istituti consorziati può partecipare:
direttamente, condividendo con gli istituti proprietari i dati e le ore-fibra in comune facendosi carico[14] solo delle frazioni del tempo richiesto per le proprie indagini;[15]
indirettamente, facendosi carico di tutto il tempo richiesto. Gli strumenti vengonocalibrati e puntati a cura del consorzio ma il titolare di una determinata osservazione in corso non ha accesso immediato ai dati delle indagini gestite dal consorzio e nel contempo ha la responsabilità di fornire i propri risultati agli archivi ESO.[16] Tale modalità osservativa è garantita sino a una disponibilità massima del 30% del tempo totale.
Per massimizzare la capacitàmulti-oggetto dello strumento, l'eccedenza di linee ottiche durante osservazioni a campo visivo ridotto o in bassa risoluzione e indagini ad ampio campo, i programmi osservativi vengono organizzati in ampie campagne simultanee a loro volta suddivise in diverse sotto-campagne. Questo sistema osservativo ovvia anche a condizioni meteorologiche non ottimali (seeing eluminosità) e tempi di esposizione diversi: il tempo di esposizione per una stella luminosa in modalità LRS (Low Resolution Spectrograph) può richiedere pochi minuti rispetto ad unobiettivo extra-galattico in altarisoluzione (HRS).
Per il primo quinquennio di operatività dello strumento sono state programmate 10 indagini conoscitive condotte dalla comunità ESO direttamente coinvolta nello sviluppo di 4MOST:
Milky Way Halo Low-Resolution Survey: l'indagine studia la dinamica dell'alone galattico della Via Lattea a bassa risoluzione (R ~ 6000) spettroscopica. 4MOST analizzerà lametallicità e la presenza dielementi chimicipuri dell'alone; i risultati, integrati con le osservazionifotometriche e diparallasse diGAIA consentiranno di caratterizzare l'alone e la sua interazione con ildisco.[17]
Milky Way Halo High-Resolution Survey: l'indagine studia la formazione della Via Lattea dalle sue prime fasi dell'arricchimento chimico, attraverso un campione di più di 1,5 milione di stelle ad altalatitudine galattica delle quali viene studiata lacinematica e l'abbondanza di più di venti metalli. La spettroscopia ad alta risoluzione di questa indagine fornirà un catalogo di almeno trentamila stelle con una metallicità inferiore a un centesimo di quella solare.[18]
Milk Way Disc and Bulge LR Survey (4MIDABLE-LR): l'indagine 4MIDABLE a bassa risoluzione studierà la cinematica stellare e la composizione chimica delle strutture (ammassi stellari,bracci di spirale,barra centrale) del disco galattico e del suorigonfiamento, con una precisione sensibilmente migliore di GAIA e di qualsiasi altra indagine finora pianificata.[19]
Milk Way Disc and Bulge HR Survey (4MIDABLE-HR): l'indagine spettroscopica 4MIDABLE ad alta risoluzione (R~20000) consentirà di ottenere un ricco archivio, in sinergia con le missioniGAIA eTESS, di più di due milioni di stelle di cui saranno note velocità radiali,rotazione,masse, età, presenza di metalli attualmente rilevabili solo otticamente con stime imprecise, risultanti dei processi dinucleosintesi (r es).[20]
eROSITA Galaxy Cluster Redshift Survey: l'indagine eROSITA GCRS opererà in sinergia con la missioneeROSITA, telescopio perraggi X sviluppato dall'Istituto Planck per la fisica extraterrestre e lanciato nel 2019.[21] Al momento della prima luce di 4MOST, eROSITA dovrebbe avere già scansionato otto volte la volta celeste rilevando ilgas intergalattico caldo in gruppi edammassi di galassie. 4MOST ne osserverà la controparte ottica e nel vicino infrarosso (370–950nm) stimandone le masse totali e le proprietà dinamiche.[22]
Active Galactic Nuclei: è un'indagine complementare a eROSITA focalizzata suinuclei galattici attivi; scopo di questa indagine è campionare circa l'80% delle sorgenti extragalattiche AGN osservate in raggi X da eROSITA e daWISE nel medio infrarosso ed acquisire le proprietà fisiche di un milione di buchi neri e comprendere le relazioni tra i nuclei galattici attivi e strutture a larga scala.[23]
Wide-Area VISTA Extragalactic Survey (WAVES): WAVES è un'indagine conoscitiva che studia la composizione e la crescita dellestrutture a larga scala quali ammassi stellari esuperammassi,filamenti evuoti. Su scale più ridotte WAVES studierà in alta risoluzione dettagliatamente gli ambienti costituenti i rigonfiamenti galattici, dischi e bracci a spirale; l'indagine produrrà in tal modo un archivio accurato di circa 1,6 milioni di galassie in unadistanza di redshift traz 0,1 e z 0,8.[24]
Cosmology Redshift Survey (CRS):[25] l'indagine di redshift cosmologico effettuerà misurazioni spettroscopiche al fine di approfondire i modelli cosmologici sulla distribuzione della materia nell'universo,lensing gravitazionale, velocità galattiche e distorsioni dello spazio dovuto a grandi masse, in sinergia con altre indagini quali KiDS[26],DES eLSST.
One Thousand and One Magellanic Fields (1001MC): 1001MC studierà lacinematica stellare e i costituenti chimici nellepopolazioni stellari delleNubi di Magellano. L'indagine produrrà dati spettroscopici di oltre mezzo milione di stelle distribuite su un'area di circa 1000° quadrati.[27]
The Time-Domain Extragalactic Survey (TiDES): questa indagine effettuerà osservazioni spettroscopiche infollow-up di osservazioni ottiche ad ampio campo effettuate da altri osservatori. Questa campagna osservativa è costituita da tre sotto-campagne:
(TiDES-SN) classificazione spettroscopica dieventi transienti in tempo reale, osservati otticamente dal telescopio LSST ed altri;
(TiDES-Hosts) studio spettroscopico disupernove presenti in galassie esterne alla Via lattea;
(TiDES-RM) osservazioni spettroscopiche ripetute dinuclei attivi utilizzandoli comecandele standard per effettuare studi sull'equazione di stato cosmologica.[28]
Ulteriori 15 campagne sono state assegnate alla comunità scientifica, le quali possono usufruire del 30% del tempo di esercizio di 4MOST.[29] A seguire, lo scopo di alcune di queste campagne:
The White Dwarf Binary Survey (WDB): l'indagine analizza, sulla base di un campione disistemi stellari binari composti da una nana bianca e una stella disequenza principale, l'evoluzione probabile di tali sistemi avendo nota la loro separazione orbitale, quest'ultima ricavata da acquisizioni del satelliteGAIA.[30]
The 4MOST Survey of Young Stars (4SYS): l'indagine osserverà un campione di circa 100mila stelle giovani entro una distanza di 500pc dal sole misurandone la chimica, lacinematica e l'età al fine di avere un quadro evolutivo delle strutture spaziali che inglobano tali oggetti; verrà quantificato il tasso di formazione stellare e la disomogeneità chimica dellabolla locale ed un campionamento probabilistico per la ricerca esoplanetaria[31]
4MOST Gaia RR Lyrae Survey (4GRoundS): l'indagine misurerà le velocità radiali e lametallicità dellevariabili RR Lys dell'emisfero australe sfruttando e migliorando i dati acquisiti di Gaia Release 3.[32][33]
Il consorzio 4MOST è costituito da numerosi istituti consortili, dei quali 15 principali, coordinati dall'Istituto Leibniz per l'astrofisica di Potsdam (AIP),Germania. Ogni istituto sviluppa i sottosistemi dello strumento e le tecnologie di propria competenza, prima che vengano testate ed assemblate aPotsdam e successivamente trasportate in Cile ed installate sul telescopioVISTA presso il sito ESO sulcerro Paranal. Gli istituti sono responsabili delle indagini astronomiche programmate nel primo quinquennio secondo il prospetto che segue:
Istituti del Consorzio 4MOST e campagne di osservazione
(EN)GMT,GMT's Acquisition, Guiding and Wavefront-sensing System (AGWS) rotary mechanism prototype, suYouTube, 25 marzo 2019.
