LE 'MADE IN INAF' TRA LE MIGLIORI AL MONDO

Ottica adattiva sotto i riflettori

Il sistema di correzione delle immagini che equipaggia il Large Binocular Telescope è unanimemente considerato sotto molti aspetti il più avanzato oggi operativo. Quali sono i segreti del suo successo? Lo abbiamo chiesto a Simone Esposito, dell'Osservatorio Astrofisico di Arcetri.

Un confronto della nebulosa planetaria BD30_3639 ripresa dal telescopio spaziale Hubble (a sinistra, nella banda di radiazione visibile) e dal Large Binocular Telescope con ottica adattiva (nel vicino infrarosso, alla lunghezza d'onda di 2,1 micrometri)

È il più grande telescopio binoculare al mondo con i suoi due specchi principali affiancati da 8,4 metri di diametro e dall’ottobre del 2004 scruta il cielo dagli oltre 3200 del Monte Graham in Ariziona, dove è collocato. Il Large Binocular Telescope è un vero gioiello della tecnologia, un’impresa internazionale sostenuta significativamente dall’INAF e a cui hanno partecipato alla sua realizzazione diverse Società italiane. Uno dei ‘fiori all’occhiello’ di LBT è il sistema di ottica adattiva di cui dispone, che corregge le distorsioni sulle immagini astronomiche prodotte dalle turbolenze dell’atmosfera per restituire riprese che eguagliano e addirittura superano in alcune bande di radiazione quelle ottenute dal telescopio spaziale Hubble. Un risultato rilevante se si pensa che Hubble, essendo in orbita e dunque al di fuori dell’atmosfera, non risente di quei problemi.
Il cuore del sistema è il FLAO (First Light Adaptive Optics)  che è stato sviluppato da un team di scienziati dell’INAF sotto la guida di Simone Esposito, dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri. Un concentrato di ricerca e soluzioni d’avanguardia che è un punto di riferimento per chi, nel mondo, è coinvolto nella progettazione e nello sviluppo di dispositivi analoghi. A testimoniarlo, in questi giorni, è il fatto che l’articolo “Large Binocular Telescope Adaptive Optics System: new achievements and perspectives in adaptive optics” di Esposito e colleghi dell’Osservatorio di Arcetri e dell’LBT Observatory, pubblicato online sul sito della Società Internazionale per l’Ottica e la Fotonica (SPIE), risulta il più letto nella sezione ‘astronomia’.

Abbiamo rivolto alcune domande proprio a Simone Esposito per conoscere alcuni degli aspetti del sistema di ottica adattiva italiano, dei suoi punti di forza e quelle che sono le sue prospettive di sviluppo.

Perché è così importante oggi l’ottica adattiva nei moderni telescopi da Terra?

Da Terra osserviamo gli oggetti celesti attraverso la nostra atmosfera. Questa presenta turbolenze indotte dai venti su strati d’aria a differente temperatura che degradano la qualità delle immagini scientifiche. Un fenomeno simile alla distorsione della visione di strada in una giornata assolata dovuta al movimento dell’aria riscaldata dall’asfalto. In assenza di atmosfera, con i moderni telescopi della classe di 8 metri potremmo vedere dettagli di circa 25 metri sulla superficie della Luna, mentre la distorsione introdotta dalla turbolenza rende confusi i dettagli della superficie del nostro satellite già sotto il chilometro e mezzo. Lo stesso discorso può essere esteso ad ogni oggetto astronomico osservato e tale effetto è chiamato “perdita di potere risolutivo”. In più, per oggetti lontani e deboli, questa distorsione produce un’allargamento della sua immagine, diluendo la luce ricevuta rispetto alla luce emessa dal fondo del cielo e rendendo tale oggetto non osservabile (in gergo “perdita di sensibilità”). Una soluzione è inviare fuori dell’atmosfera un telescopio – come è stato fatto per il telescopio spaziale Hubble – ma con enormi costi e dimensioni limitate dalle capacità tecnologiche di lancio. La soluzione a portata dei grandi telescopi a Terra, invece, è l’ottica adattiva: una tecnologia che permette di compensare in tempo reale gli effetti della turbolenza atmosferica mediante un sensore (detto sensore di fronte d’onda) che misura la distorsione introdotta dalla turbolenza e la comunica ad uno specchio deformabile che “contro-distorce” l’immagine, recuperando il potere risolutivo e la sensibilità del telescopio, come se l’atmosfera non ci fosse. Le correzioni sono eseguite da varie centinaia di attuatori ed aggiornate fino a un migliaio di volte al secondo. Con le ottiche adattive sviluppate oggi su tutti i grandi telescopi con specchi principali da 4 metri di diametro in su, i dettagli delle immagini astronomiche sono enormemente migliorati (anche di venti- trenta volte in termini di potere risolutivo) così come la capacità di “vedere” sorgenti deboli che prima dell’ottica adattiva non potevano essere rilevate, aprendo la strada a nuove scoperte nel campo dell’astrofisica.

Il sistema adattivo installato su LBT, sviluppato in Italia dall’INAF, è considerato per molti aspetti il migliore e più avanzato oggi in funzione. Che cosa lo rende così unico nel suo genere?

L'ammasso stellare M92 osservato da Hubble (a sinistra, tempo di esposizione di 20 minuti) e da LBT con ottica adattiva (a destra, tempo di esposizione di 8 minuti)

In questo momento, tra i telescopi in uso all’astronomia, il sistema adattivo per LBT rappresenta quello con le migliori prestazioni in termini di potere correttivo. Basti pensare che LBT con il suo sistema adattivo ha compiuto osservazioni del noto ammasso stellare M92 rivelando tre o quattro volte più sorgenti di quelle individuate dal telescopio spaziale Hubble, per di più in un terzo del tempo. Immagini di nebulose planetarie mostrano una qualità ed una risoluzione angolare superiore a quelle ottenute da Hubble nello spazio. Infine, nel caso della scoperta di pianeti extrasolari, LBT ha prodotto le immagini a più alta correzione e risoluzione angolare mai ottenuta da telescopi a Terra: da 25 mas (millesimi di secondo d’arco) di risoluzione in banda J  a 40 mas in banda H, cioè circa 30-40 volte meglio di un telescopio senza ottica adattiva. Già in queste osservazioni iniziali LBT ha rivelato per la prima volta in banda H il più interno dei 4 pianeti del sistema HR8799. Questi risultati nel loro insieme rappresentano un fondamentale passo in avanti della Astronomia ad alta risoluzione angolare con telescopi a Terra. Essi sono il frutto dello sviluppo e applicazione di nuove tecnologie nel campo dell’ottica adattiva, introdotte e sviluppate presso l’Osservatorio Astrofisico di Arcetri dell’INAF. In particolare i due elementi chiave di questo sistema, disegnati e realizzati completamente in Italia da INAF/Arcetri e alcune PMI italiane, sono il sensore a piramide e lo specchio secondario adattivo. Il sistema di LBT utilizza infatti uno speciale sensore basato su una piramide di vetro che rivela le distorsioni delle immagini con grande sensibilità e accuratezza riuscendo ad utilizzare sorgenti per la misura delle distorsioni 4 o 5 volte più deboli degli altri telescopi e fare una mappa di tali distorsioni su una griglia di 30×30 punti. Il correttore delle immagini è l’altro componente speciale che sostituisce il tipico specchio secondario del telescopio con una sottile sfoglia di vetro di circa 1.6 mm di spessore, la cui forma può cambiare sotto l’azione di 672 attuatori, un numero più che doppio rispetto a quelli in uso sugli altri telescopi astronomici. Inoltre LBT ha due “occhi” e per ogni occhio c’e’ un sistema come quello descritto, permettendo, tra breve, di combinare le correzioni adattive ed utilizzare LBT in modalità interferometrica, ovvero come un telescopio di 23 metri di diametro. LBT sarà in definitiva il primo ELT (Extremely Large Telescope, Telescopio Estremamente Grande) ed i sistemi sviluppati per il telescopio sono “pathfinders” fondamentali per il disegno e lo sviluppo degli Extremely Large Telescope con specchi principali di 30 o 40 metri di diametro che vedranno la luce fra una decina di anni.

Quali sono i futuri sviluppi di questo sistema?

Il telescopio LBT in modalità adattiva sta cominciando a produrre i primi risultati scientifici e ci aspettiamo che a breve verranno pubblicati vari articoli referati sulle più importanti riviste scientifiche, prodotti con i dati ottenuti grazie al sistema adattivo. la produzione di articoli di livello internazionale è sicuramente il primo e più importante obiettivo da raggiungere anche per lo sviluppo tecnologico. In questo senso è importante ricordare che tutti i partner di LBT ovvero USA, Germania ed Italia hanno mostrato un fortissimo interesse per le osservazioni in modalità adattiva. Dal lato tecnico, i risultati ottenuti ad LBT da INAF hanno acceso l’interesse della comunità internazionale sulle tecnologie che abbiamo sviluppato. Nuove generazioni di specchi secondari adattivi e sensori di fronte d’onda a piramide sono in fase di realizzazione o studio per il telescopio europeo VLT dell’ESO. I primi vedono INAF impegnata nella collaborazione con ditte Italiane già impegnate nella loro costruzione (Microgate Srl e A.D.S. International Srl), i secondi invece vedono INAF come diretta responsabile dello sviluppo. A seguito dei risultati già descritti, il Project Office del Giant Magellan Telescope, uno dei due ELT americani di 28m di diametro, ha approntato un contrato con INAF/Arcetri per il disegno di sensori a piramide per il Giant Magellan Telescope. Infine INAF, in un lavoro congiunto tra gli Osservatori di Brera ed Arcetri, è fortemente impegnato nella realizzazione degli specchi adattivi per l’ European-ELT di ESO (39 metri di diametro), ancora una volta in collaborazione con le ditte Italiane Microgate e A.D.S. Concludendo, gli sviluppi tecnologici intrapresi da INAF per LBT hanno portato alla creazione di un patrimonio di conoscenze che pone sicuramente INAF e l’Italia fra le prime nazioni nel mondo nel campo dello sviluppo di sistemi adattivi per l’astronomia.

Per saperne di più:

leggi l’articolo Large Binocular Telescope Adaptive Optics System: new achievements and perspectives in adaptive optics di S. Esposito, A. Riccardi, E. Pinna, A. Puglisi, F. Quirós-Pacheco, C. Arcidiacono, M. Xompero, R. Briguglio, G. Agapito, L. Busoni, L. Fini, J. Argomedo, A. Gherardi, P. Stefanini, and P. Salinari (INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri), G. Brusa, D. Miller, e J. C. Guerra (Large Binocular Telescope Observatory, The Univ. of Arizona – USA)