Telescopios de Gran Apertura
En el corazón de CMB-S4 hay nuevos telescopios de gran apertura diseñados para proporcionar un enorme aumento en la sensibilidad para mapear el fondo cósmico de microondas. Ellos son capaces de lograr esta mejora mediante el uso de nuevos diseños ópticos que permiten cámaras con planos focales extremadamente grandes, cada uno de los cuales contiene del orden de 130,000 detectores superconductores. La óptica del telescopio también está diseñada para no tener bloqueo – los llamados diseños ópticos fuera del eje – para minimizar que cualquier luz de microondas dispersa, como la emisión procedente del terreno y de otras estructuras, aparezca en la vista de la cámara.
Dos telescopios Cross-Dragone (CD) con aperturas de entrada de seis metros de diámetro se desplegarán en el sitio chileno para mapear aproximadamente el 70% del cielo todos los días para apoyar los objetivos científicos relativos al universo oscuro, el mapeo de materia y de variación temporal del cielo de ondas milimétricas.
Un telescopio Anastigmático Tri Espejo (TMA, por sus siglas en inglés) con una apertura de entrada de cinco metros de diámetro se desplegará en el Polo Sur para mapear aproximadamente 3% del cielo varias veces al día, principalmente para apoyar el objetivo científico de la inflación, pero también contribuyendo con un campo ultra profundo para el mapeo de materia y los objetivos de variación temporal del cielo de ondas milimétricas. El objetivo científico de la inflación requiere una sensibilidad excepcional y establece requisitos especialmente estrictos sobre la eliminación de la contaminación sistemática siempre que sea posible y la mitigación de cualquier efecto residual. El diseño de TMA incluye características de diseño novedosas adicionales, como la capacidad de girar toda la óptica del telescopio a lo largo de la línea de visión y el uso de espejos monolíticos (sin perforaciones) para reducir aún más la contaminación de la luz dispersa que llega a la cámara.
Las cámaras de los tres telescopios comparten un diseño común. Cada uno tiene efectivamente 85 cámaras separadas contenidas en un solo criostato, con los detectores enfriados a 0,1 Kelvin (-273,05 °C).
Telescopios de Pequeña Apertura
Un total de 18 telescopios de pequeña apertura estarán dedicados a medir las fluctuaciones de polarización de paridad impar, o los llamados modos B, a escalas de grados. Empleando óptica refractiva totalmente criogénica y aproximadamente 75,000 detectores superconductores en total, estos telescopios están diseñados para lograr una sensibilidad extrema con una estabilidad y fidelidad incomparables a las señales en escalas de grados.
Esto es fundamental para su misión de sondear señales tan débiles como la posible firma de la rápida expansión del universo primitivo, o la llamada inflación cósmica. Los 18 telescopios observan colectivamente el cielo en una amplia gama de frecuencias, 30-300 GHz, lo que permite distinguir entre señales cosmológicas y la emisión de radio y polvo de nuestra propia galaxia.
El nuevo diseño del criostato receptor de tres telescopios independientes, cada uno con un plano focal de detectores superconductores enfriados a 0,1 Kelvin, utiliza un refrigerador de dilución común. El receptor está montado en una plataforma de tres ejes, donde el tercer eje gira el receptor alrededor de la línea de visión y proporciona una poderosa prueba de la fidelidad de las señales de polarización. Los telescopios están equipados con múltiples etapas de blindaje óptico externo a temperatura ambiente para mitigar la contaminación de la señal y la degradación de la sensibilidad debido a la luz dispersa del suelo.