Il gruppo di Ottica Adattiva dell’INAF-OA Abruzzo, affiliato ai Laboratori Nazionali di Ottica Adattiva dell’INAF (ADONI – ADaptive Optics National laboratory of Italy), partecipa dal 2013 a numerosi progetti internazionali per la costruzione di una nuova generazione di strumentazione scientifica che verrà istallata sui maggiori telescopi attualmente operativi (Very Large Telescope-VLT; Large Binocular Telescope-LBT) e su quelli in costruzione (European-ELT; Giant Magellan Telescope-GMT).
Telescopi sempre più grandi
Da alcuni decenni, i maggiori telescopi per la ricerca scientifica, dislocati in siti remoti con caratteristiche osservative ottimali, hanno raggiunto dimensioni imponenti e costi che possono essere sostenuti solo da grandi collaborazioni internazionali. La strumentazione di cui sono dotati richiede la progettazione completa di ogni sottosistema, dai componenti hardware (meccanica, elettronica, ottica…), fino al software che ne permetterà l’uso e l’elaborazione dei dati. Tuttavia, rimangono i due principi basilari che definiscono quella che viene semplicemente etichettata come “potenza” di un telescopio: il “potere risolutivo”, ossia la capacità di distinguere dettagli estremamente piccoli nelle immagini, e la “sensibilità”, ossia la capacità di rilevare sorgenti estremamente deboli. Questi due aspetti sono direttamente legati alla dimensione dello “specchio primario” del telescopio. La necessità di osservare oggetti sempre più deboli e con sempre maggior dettaglio spinge a sviluppare strumenti sempre più grandi e complessi per studiare l’Universo.
I più grandi telescopi attualmente in funzione rientrano nella classe 8-10m di diametro, ma già da alcuni anni è iniziata la costruzione della prossima generazione di strumenti, i cosiddetti “Extremely Large Telescopes” (ELT), una grande sfida scientifica e tecnologica che ha lo scopo di far luce su alcuni dei grandi misteri ancora aperti dell’Universo. Sono tre i telescopi di questa categoria in corsa per aggiudicarsi il primato scientifico nei prossimi decenni: il Giant Magellan Telescope (GMT) e il Thirty Meter Telescope (TMT), rispettivamente di 25 e 30 metri di diametro, entrambi sostenuti da partnerships internazionali capeggiate prevalentemente da università e fondazioni americane, e il progetto European-ELT (E-ELT) dello European Southern Observatory (ESO), con un diametro di 39 metri per un totale di quasi 3000 tonnellate, a guida europea e attualmente in costruzione sul Cerro Armazones, a circa 3000 slm, nelle Ande cilene.
Perchè l’ottica adattiva
Costruire telescopi grandi però, non è di per sé sufficiente. Senza un adeguato sistema ottico, il potere risolutivo non sarebbe superiore a quello di un telescopio di poche decine di centimetri. Se con il diametro aumentano le potenzialità di un telescopio, queste vengono annullate a causa dell’aumento della sensibilità dello stesso alle aberrazioni introdotte dalla turbolenza atmosferica. Per superare questa limitazione è necessario un sistema “intelligente”, basato su ottiche adattive (tipicamente costituite da specchi deformabili), così chiamate per la loro capacità di “adattarsi” alle imprevedibili variazioni dell’atmosfera. Esse sono in grado di mutare continuamente la loro forma, anche migliaia di volte al secondo, per compensare e annullare le distorsioni atmosferiche. In tal modo un telescopio terrestre può raggiungere, e persino superare, la risoluzione degli attuali telescopi spaziali che, posti al di fuori dell’atmosfera, non risentono dei sui effetti.
L’avanzamento tecnologico nel campo dell’Adaptive Optics (AO), in cui l’Italia può vantare una leadership mondiale, ha permesso di realizzare sistemi di correzione estremamente avanzati, capaci di portare fino al limite di diffrazione le immagini astronomiche ottenute con gli attuali e futuri grandi telescopi ottico-infrarossi. Il gruppo AO dell’Osservatorio Astronomico d’Abruzzo è coinvolto nello sviluppo hardware e software di diversi strumenti.
Lo strumento ERIS
ERIS (Enhanced Resolution Imager and Spectrograph) è uno strumento che lavorerà nell’intervallo di lunghezze d’onda 1-5 μm al fuoco Cassegrain dell’unità 4 (UT4) del VLT in Cile. Il suo principale punto di forza sarà l’innovativo sistema di ottica adattiva costituito dalla Adaptive Optics Facility (AOF) del telescopio e i sensori “a stella naurale” (Natural Guide Star, NGS) e “a stella laser” (Laser Guide Star, LGS), presenti all’interno dello strumento. ERIS ospita, inoltre, una camera per l’aquisizione di immagini ad altissima risoluzione (NIX) e uno spettrografo IFU denominato SPIFFIER. Il gruppo AO dell’INAF-OA Abruzzo è responsabile della progettazione e realizzazione della Calibration Unit (CU) di ERIS, necessaria per le attività di calibrazione, monitoring e test delle funzionalità degli strumenti scientifici (NIX e SPIFFIER) e del modulo AO.
Dopo aver superato le fasi di design review, costruzione e accettazione, la Calibration Unit è stata integrata con il modulo AO presso i Laboratori di Ottica adattiva dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri (Firenze), dove dopo aver passato ulteriori test congiunti, saranno spediti presso la Integration Hall dell’ESO, a Garching (Monaco di Baviera). Una volta integrato l’intero strumento con i sottosistemi NIX e SPIEFFIER e verificata ogni funzionalità, lo strumento verrà quindi inviato in Cile, al Cerro Paranal per l’inizio del commissioning (installazione al telescopio VLT) entro il 2020.
ERIS sarà il più avanzato sistema di Ottica Adattiva mai installato su telescopi di classe 8-10 m di diametro e permetterà di ottenere dati di qualità superiore a quelli attualmente disponibili alle lunghezze d’onda in cui opererà.
Il telescopio ELT Europeo
Tutti gli ELT sono stati progettati per disporre di sistemi AO in grado di fornire diverse modalità di correzione per gli strumenti scientifici che verranno istallati. Nel caso di E-ELT, oltre agli specchi M1 (primario composto da 798 “tasselli”, ovvero specchi esagonali di diametro di circa 1.4 metri), M2, e M3 che dispongono di sistemi “attivi” (che mutano la forma degli specchi al variare del puntamento del telescopio per compensare le deformazioni introdotte dalla meccanica e le flessioni indotte dal loro stesso peso), sono presenti due ulteriori specchi, M4 e M5 che costituiscono i primi componenti del sistema adattivo. M4 è infatti un piano deformabile di 2.4 metri, con oltre 5300 attuatori di tecnologia tutta italiana, che permettono di variarne la forma con frequenze fino a 500Hz. M5 è un specchio ellittico di dimensioni simili al precedente, in grado di compensare i rapidi spostamenti di tip-tilt, stabilizzando l’immagine sul piano focale.
Lo strumento MAORY
Il “cuore” del sistema adattivo di E-ELT risiede in uno strumento “di prima luce”, sviluppato da un consorzio italo-francese e guidato da INAF. Si tratta del Multi-coniugate Adaptive Optics RelaY (MAORY), un modulo post-focale che fornirà elevate correzioni della turbolenza atmosferica, uniformemente su un ampio campo di vista, per osservazioni nell’ottico e nell’infrarosso. La particolarità di questo strumento consiste nella sua capacità di coniugare la forma delle sue ottiche con la turbolenza misurata a varie altezze in atmosfera e in vari punti del campo. Per raggiungere questo ambizioso obiettivo MAORY sarà dotato di ulteriori specchi deformabili, tre sensori di fronte d’onda (Wave-front Sensor, WFS) basati su stelle di guida naturali (Natural Guide Star, NGS) e sei sensori a stella di guida laser (Laser Guide Star, LGS). Campionando ad alta frequenza l’immagine delle tre stelle naturali e delle sei stelle artificiali generate da potenti fasci laser, MAORY sarà in grado di calcolare e controllare l’esatta forma da applicare alle ottiche interne e a quelle del telescopio E-ELT, per compensare in tempo reale le rapide e mutevoli aberrazioni dovute alla turbolenza atmosferica. In tal modo tutti gli strumenti scientifici che utilizzeranno MAORY sin dalla prima luce di E-ELT, potranno beneficiare della elevata qualità della correzione adattiva.
Il disegno e lo sviluppo di uno strumento talmente complesso richiede le più avanzate soluzioni ingegneristiche. Grazie all’esperienza acquisita in precedenti progetti tecnologici, in particolare per lo strumento ERIS del VLT, e alla partecipazione a varie collaborazioni internazionali, il gruppo di Ottica Adattiva dell’INAF-OA Abruzzo è coinvolto nella progettazione di due importanti sottosistemi di MAORY: il modulo che ospita i tre sensori NGS, con responsabilità sul sistema di controllo elettronico e sul software; e la Calibration Unit (CU), per la quale il Project Office ha voluto affidare la responsabilità dell’intero sottosistema. Si tratta di due componenti essenziali di elevata ingegnerizzazione, che richiedono specializzazioni in numerosi campi tecnologici (automazione, opto-meccanica, controllo termico, lavorazioni di precisione, etc.).
Bibliografia:
- Richard Davies and Markus Kasper, “Adaptive Optics for Astronomy”, Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 2012, 50, pages 305-351.
- Esposito et al., “Natural guide star adaptive optics systems at LBT: FLAO commissioning and science operations status”, Adaptive Optics Systems III. Proceedings of the SPIE, Volume 8447, article id. 84470U (2012)
- Y.Madec et al., “Adaptive Optics Facility: from an amazing present to a brilliant future…”, Proceedings of the SPIE, Volume 10703, id. 1070302 (2018).
- Riccardi et al., “The ERIS adaptive optics system: from design to hardware”, Proceedings of the SPIE, Volume 10703, id. 1070303 (2018)
- Di Rico et al., “Control electronics of the ERIS AO and CU subsystems”, Proceedings of the SPIE, Volume 10703, id. 107033I 14 pp. (2018).
