COLLAUDATO CON SUCCESSO

Come è limpido il cielo con ARGOS

Al grande telescopio binoculare LBT, in Arizona, procede nel migliore dei modi lo sviluppo del nuovo sistema di ottiche adattive ARGOS, in cui l'INAF ha un ruolo importante con l'Osservatorio Astrofisico di Arcetri. L'intervista a Lorenzo Busoni, del team scientifico di ARGOS

ARGOS-laserIl cielo sopra Monte Graham, in Arizona, ha da un po’ di tempo qualche stella in più. Sei per la precisione, e solo quando servono. Questo perché non sono delle stelle vere: di un brillante colore verde, vengono prodotte artificialmente tramite raggi laser. Il loro compito è consentire al sistema ARGOS (di cui sono uno dei componenti) di analizzare la loro luce riflessa, ricavandone le caratteristiche della turbolenza dell’atmosfera sopra il telescopio LBT. Queste informazioni vengono poi elaborate e inviate in tempo reale agli attuatori degli specchi secondari del grande telescopio binoculare, di cui l’INAF è uno dei partner, permettendo di ridurre drasticamente gli effetti negativi della turbolenza e restituire così immagini astronomiche di eccezionale qualità e nitidezza.

Nei giorni scorsi ARGOS ha visto completare con successo un’altra tappa importante nel suo sviluppo, in attesa della sua piena operatività.  Per raccontarci le ultime novità, abbiamo rivolto alcune domande a Lorenzo Busoni, dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri e membro del team scientifico di ARGOS, appena rientrato dall’Osservatorio LBT in Arizona.

Cosa è ‘successo’ nelle ultime settimane ad LBT?

ARGOS è stato installato al telescopio LBT nel corso del 2013 e della prima metà del 2014. Nelle due settimane appena trascorse al telescopio è cominciato il collaudo in cielo vero e proprio. Si è cioè cominciato a far interagire tutti i componenti del sistema: i laser per creare le stelle guida artificiali ed i sensori di fronte d’onda che raccolgono la luce laser, misurano la turbolenza atmosferica e inviano i comandi allo specchio deformabile che compensa la turbolenza permettendo allo strumento LUCI di ottenere immagini più nitide.

Come funziona il sistema ARGOS?

ShackHartmannARGOSARGOS è un sistema di ottica adattiva di tipo GLAO (Ground Layer Adaptive Optics) sviluppato per i 2 LUCI, le camere-spettrografi infrarossi di LBT. ARGOS si propone di correggere solo la turbolenza atmosferica vicina al suolo (per circa 1km sopra al telescopio). La turbolenza vicina al suolo è comune a tutte le direzioni di vista e questo fa sì che la correzione ottenuta sia efficace anche per strumenti a grande campo come LUCI che ha un campo di vista di 4×4 minuti d’arco (circa 1/10 della dimensione apparente della Luna, non esattamente un grandangolo! ma comunque ampio per gli standard astronomici).

Come ogni sistema adattivo, ARGOS ha bisogno di “stelle guida” che siano abbastanza luminose da consentire agli “occhi” (i sensori di fronte d’onda) di misurare e correggere la turbolenza velocemente (in ARGOS si fanno 1000 misure e correzioni al secondo). In particolare ARGOS ha bisogno di tre di queste stelle guida per ciascun “occhio” del telescopio e non è facile trovare tre stelle naturali in cielo abbastanza luminose: si è perciò deciso di utilizzare “stelle guida artificiali”, create illuminando il cielo con tre potenti fasci laser da 20W ciascuno.

I laser creano brevi, ripetuti impulsi di luce che si propagano verso il cielo e vengono riflessi dalle particelle di aria che incontrano lungo il cammino: i sensori di fronte d’onda hanno un diaframma elettro-ottico che si apre  con un ritardo di 80 microsecondi (milionesimi di secondi) dall’impulso,  ovvero il tempo che la luce impiega su un percorso di andata e ritorno di 12km, e si richiude dopo un solo microsecondo. In questo modo si raccoglie solo la luce che proviene da 12km di quota sopra al telescopio ed ha riattraversato tutta la turbolenza atmosferica.

I sensori di fronte d’onda sono di tipo Shack-Hartmann: tramite una serie di microlenti si crea una griglia di immagini della stella guida. La mutua posizione delle immagini fornisce l’informazione sulla forma del fronte d’onda che viene poi processata da un computer e applicata in tempo reale allo specchio deformabile.

Su LBT c’è già un sistema di ottiche adattive, FLAO. Perché c’è bisogno di un altro sistema (ARGOS) e in cosa si differenzia?

Schema di funzionamento del sistema di ottica adattiva: la luce proveniente dal telescopio e riflessa dallo specchio secondario viene in parte deviata verso il sensore di fronte d'onda (Wavefront sensor) che rileva l'entità della turbolenza atmosferica e, tramite il sistema di controllo,  invia le opportune correzioni da apportare alla superficie dello specchio adattivo così da restituire al fuoco degli strumenti scientifici un'immagine corretta. Crediti:  C. Max, Center for Adaptive Optics

Schema di funzionamento del sistema di ottica adattiva: la luce proveniente dal telescopio e riflessa dallo specchio secondario viene in parte deviata verso il sensore di fronte d’onda (Wavefront sensor) che rileva l’entità della turbolenza atmosferica e, tramite il sistema di controllo,
invia le opportune correzioni da apportare alla superficie dello specchio adattivo così da restituire al fuoco degli strumenti scientifici un’immagine corretta. Crediti: C. Max, Center for Adaptive Optics

Il sistema FLAO è un sistema di ottica adattiva a stella guida naturale singola disegnato per realizzare un elevatissimo grado di correzione su un campo ristretto (circa 10 volte più piccolo di quello corretto da ARGOS). E’ adatto ad applicazioni che richiedono un altissimo contrasto, come ad esempio la ricerca dei pianeti extra-solari. ARGOS al contrario è disegnato prevalentemente per lo studio della dinamiche di galassie lontane e per lo studio della evoluzione stellare nei “cluster” della nostra galassia.

Quali sono i miglioramenti delle immagini corrette rispetto a quelle affette da turbolenza?

ARGOS permette un grado di correzione moderato, proprio perché corregge la sola turbolenza al suolo, lasciando non corretta quella degli strati atmosferici alti. Tipicamente si migliora la risoluzione delle immagini di circa 2-3 volte rispetto alla risoluzione “seeing-limited” quella cioè ottenibile in assenza di ottica adattiva. In pratica ARGOS agisce come un “miglioratore di atmosfera”: rende accettabili le notti in cui la turbolenza è troppo elevata e rende eccellenti le già ottime “notti medie” di LBT. Sebbene un miglioramento di un fattore 2-3 non appaia eclatante, esso consente di ridurre i tempi necessari ad un’osservazione della stessa quantità, il che permette di aumentare considerevolmente l’efficienza osservativa del telescopio.

Quale è il ruolo dell’INAF in questo progetto?

La differenza di dettaglio nella vista dell'ammasso NGC 2419 con e senza l'ausilio di ARGOS ripreso dallo strumento LUCI2

La differenza di dettaglio nella vista dell’ammasso NGC 2419 con e senza l’ausilio di ARGOS ripreso dallo strumento LUCI2. Clicca sull’immagine per vedere l’animazione

INAF attraverso l’Osservatorio Astrofisico di Arcetri è responsabile della progettazione e realizzazione dei sensori di fronte d’onda (sono 2 come sono gli “occhi” del telescopio binoculare LBT). Siamo anche direttamente coinvolti nello sviluppo del software di controllo e nell’integrazione con gli altri componenti chiave del sistema (lo specchio secondario adattivo usato da ARGOS è quello sviluppato ad Arcetri per FLAO).  E’ un lavoro che ha coinvolto 4 ricercatori INAF per gli ultimi 6 anni in strettissima collaborazione con il team internazionale capeggiato da Sebastian Rabien del Max Planck Institut für extraterrestrische Physik, di Garching in Germania.

Quali saranno i prossimi passi per raggiungere la piena operatività di ARGOS?

Il sistema è ancora nel primissimo stadio di collaudo: nella sessione appena trascorsa al telescopio erano necessarie sei persone per “guidare” il sistema. E’ ancora necessario aggiungere molto software di controllo prima che ARGOS sia perfettamente integrato all’interno del telescopio. In parallelo stiamo completando la seconda unità qui a Firenze, che pensiamo di spedire e installare a LBT durante la prossima estate. Se tutto va bene nel 2016 ARGOS sarà pienamente operativo e sarà messo a completa disposizione degli astronomi.