LO STUDIO SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

Espresso usa l’effetto Raman con stelle artificiali

Implementate nei grandi telescopi per correggere la turbolenza atmosferica, le stelle-guida artificiali generate da fasci di luce laser possono essere utilizzate anche per calibrare con precisione gli spettrografi. È accaduto per la prima volta al Vlt dell’Eso con lo strumento Espresso, come racconta a Media Inaf Paolo Molaro dell’Inaf di Trieste

L’immagine mostra i quattro fasci che emergono dal nuovo sistema laser sull’unità 4 del Vlt. Crediti: Eso/G. Hüdepohl

Ideate per consentire il funzionamento dei sistemi di ottica adattiva dei grandi telescopi, le “stelle artificiali” disegnate nel cielo da fasci di luce laser si stanno rivelando sorprendentemente utili anche per un altro scopo: la calibrazione degli spettrografi astronomici. Lo ha dimostrato per la prima volta uno studio guidato da Frédéric Vogt dell’Eso e condotto al Very Large Telescope (Vlt) – a Paranal, in Cile – con Espresso: uno spettrografo di terza generazione per la ricerca di esopianeti rocciosi alla cui ideazione e realizzazione hanno preso parte anche i ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.

La scoperta risale all’inizio del mese di febbraio del 2018, all’epoca della campagna di test dello strumento. «Ero a Paranal quando, in uno dei primi run per il commissioning di Espresso, abbiamo puntato un telescopio del Vlt verso il fascio della Laser Guide Star lanciato dall’unità 4 del Vlt», dice a Media Inaf Paolo Molaro, project scientist di Espresso in forza all’Inaf di Trieste, fra i coautori dell’articolo pubblicato oggi su Physical Review Letters. «I telescopi sono talmente vicini che è stato come guardare direttamente dentro il fascio laser, che sale per 90 km nella mesosfera. Nessuno sapeva come sarebbe apparsa la stella artificiale, ma dopo vari tentativi un chiarore diffuso nel campo di vista ci rassicurava che l’avevamo centrata».

Oltre a comunicare che il sistema era correttamente allineato, la stella forniva però anche altre informazioni, cruciali per uno spettrografo qual è Espresso. Semplificando un po’, così come un orecchio allenato e “ben calibrato” sa riconoscere gli strumenti musicali ascoltando una melodia e capire se magari uno di questi è un po’ scordato, uno spettrografo riesce a scomporre la luce nei contributi delle varie frequenze, consentendo in tal modo agli astronomi di individuare le righe caratteristiche delle sostanze che l’hanno emessa – e di misurarne l’eventuale scostamento dovuto, per esempio, all’effetto Doppler.

Per calibrare “l’orecchio” di Espresso servono dunque emissioni a lunghezze d’onda note. Ed è qui che entrano in gioco le stelle artificiali, o meglio il laser che le genera. Oltre a produrre luci guida, infatti, dirigendosi verso la mesosfera alcuni dei fotoni laser vengono dispersi dall’impatto con molecole d’aria, dando origine al cosiddetto “effetto Raman”, che si traduce in un lieve – ma ben determinato – spostamento delle lunghezze d’onda caratteristiche.

«Nello scattering di Raman», spiega Molaro, «le transizioni degli stati vibrazionali e rotazionali delle molecole hanno una separazione perfettamente nota. Lo scattering di Raman è quindi una specie di “pettine di frequenze laser” naturale (il laser frequency comb, o Lfc, è una tecnica di calibrazione degli spettrografi) che permette di verificare la qualità della calibrazione in lunghezza d’onda». In particolare, Vogt e colleghi sono riusciti a rilevare le righe di Raman relative a molecole di ossigeno e di azoto, e a sfruttarle per calibrare Espresso in modo molto accurato. «Espresso è uno spettrografo ad altissima precisione», ricorda Molaro, «che si propone di trovare altre Terre potendo misurare variazioni in velocità radiale di qualche cm/s. Per raggiungere questo obiettivo, una corretta calibrazione in lunghezza d’onda è fondamentale».

La tecnica illustrata nell’articolo – che oltre a Molaro ha fra i coautori anche altri due autori Inaf: Marco Riva dell’Osservatorio astronomico di Brera e Paolo Di Marcantonio dell’Osservatorio astronomico di Trieste – ha il vantaggio non trascurabile di poter essere utilizzata in molti altri contesti: con altri telescopi e con altri spettrografi. «Le stelle guida laser sono impiegate per correggere il fronte d’onda e migliorare le immagini in tutti i grandi telescopi di prossima generazione», osserva infatti Molaro. «Inizialmente era stata concepita per migliorare le immagini nel vicino infrarosso, ma quando verrà usata per migliorare le immagini nell’ottico la conoscenza dello scattering di Raman, per la prima volta misurato da Espresso, diventerà un aspetto fondamentale di questa tecnica».

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