IMMAGINI DIRETTE DI OGGETTI MOLTO DEBOLI ATTORNO A STELLE BRILLANTI

Sphere: cento di questi paper

Il consorzio internazionale che ha costruito l’imager planetario Sphere, installato al Very Large Telescope dell’Eso, ha pubblicato tre articoli scientifici con i risultati della survey sui dati demografici degli esopianeti osservati con lo strumento. Vi hanno preso parte ricercatori delle sedi Inaf di Padova, Napoli, Brera e Catania

     09/03/2021
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Galleria dei risultati astrofisici ottenuti dallo strumento Sphere montato sull’unità 3 del Very Large Telescope dell’Eso: esopianeti, dischi, giovani stelle. Crediti: Consorzio Sphere

Dopo circa vent’anni dall’inizio della sua attività, il consorzio internazionale che ha realizzato l’imager planetario Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research) celebra oggi la sua centesima pubblicazione scientifica con uno di tre articoli pubblicati sulla rivista Astronomy & Astrophysics che presentano i risultati preliminari della survey demografica sugli esopianeti che si trovano oltre l’orbita di Saturno (10 unità astronomiche). Benché lo strumento sia stato ottimizzato per la ricerca e la caratterizzazione di esopianeti giganti, i settori scientifici in cui esso ha prodotto risultati eccezionali spaziano dallo studio dei dischi circumstellari, delle nane brune, dei jet stellari di stelle giovani, fino allo studio delle stelle evolute (per esempio Betelgeuse) e degli oggetti minori del Sistema solare.

Installato al Very Large Telescope (Vlt) dell’Eso all’Osservatorio del Paranal, in Cile, Sphere è un imager in grado di compiere rilevazioni dirette (direct imaging) di oggetti molto deboli attorno a stelle brillanti, isolando la loro luce da quella della stella primaria. Basandosi su una tecnologia sofisticata, tra cui un’ottica adattiva estrema, la coronarografia, la polarimetria, l’imaging differenziale e la spettroscopia di campo integrale, Sphere è stato progettato e costruito da un consorzio di dodici istituti di ricerca europei, tra cui l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf). La prima luce dello strumento al telescopio risale a maggio 2014.

In alto a sinistra: Sphere sulla piattaforma Nasmyth del Very Large Telescope. In alto a destra: sottosistemi Sphere: Saxo, Zimpol, Ifs, Irdis. In basso: immagini della prima luce di Sphere nella primavera 2014 e implementazione aggiuntiva. Crediti: Consorzio Sphere

Un programma scientifico chiave di Sphere è Shine (Sphere Infrared survey for Exoplanets), avviato nel 2015, dedicato alla demografia dei pianeti extrasolari e che annovera oltre 200 notti di osservazioni su larga scala presso il Very Large Telescope. I ricercatori coinvolti in Shine stanno per completare la survey con uno studio sistematico di circa 500 giovani stelle che rappresentano laboratori ideali per lo studio della formazione e dell’evoluzione planetaria. 

L’Inaf ha dato un contributo cruciale allo sfruttamento scientifico del tempo di osservazione garantito per la costruzione di Sphere, in particolare proprio per la survey Shine. «Le osservazioni che abbiamo raccolto nel corso delle 260 notti di tempo garantito hanno già avuto grande impatto soprattutto per la scoperta e caratterizzazione di pianeti e dischi, per lo studio delle fasi iniziali e finali dell’evoluzione delle stelle e lo studio del sistema solare. Circa una ventina di questi articoli sono a prima firma Inaf, dimostrando il ruolo chiave dei nostri ricercatori in questa avventura piena di soddisfazioni», dice Silvano Desidera, co-principal investigator della survey Shine, primo autore di uno dei tre articoli pubblicati in questa prima serie su Astronomy & Astrophysics Journal che presentano i risultati ottenuti sul 150 giovani stelle esplorate con Shine.

L’Inaf ha avuto un ruolo fondamentale all’interno del consorzio Sphere con il coinvolgimento diretto degli Osservatori di Padova, Napoli, Brera e Catania nella costruzione dello strumento, e poi nello sfruttamento scientifico del tempo garantito con il contributo più ampio della comunità italiana. «I tre articoli sulla survey rappresentano un importante traguardo per tutti noi. Questa impresa ha contribuito fortemente a creare una nuova generazione di ingegneri e di scienziati che hanno portato l’Europa sulla frontiera della conoscenza in questo settore», ricorda Massimo Turatto dell’Inaf di Padova, che come principal investigator italiano di Sphere ha coordinato il team che ha progettato e costruito l’Integral Field Spectrograph (Ifs), uno dei tre bracci scientifici dello strumento, e il software di controllo. 

«Avevamo l’obiettivo molto ambizioso di rivelare deboli pianeti attorno a stelle brillanti», aggiunge l’instrument scientist dell’Ifs Raffaele Gratton (Inaf Padova), «e per questo abbiamo posto requisiti scientifici straordinari in termini di contrasto e risoluzione angolare (15 mag a 0.5 arcsec dalla stella centrale), oltre un fattore dieci meglio degli strumenti precedenti. Per raggiungerli abbiamo ideato concetti ottici nuovi per l’Ifs, che si è rivelato essere il braccio di Sphere che permette di raggiungere le massime performance in prossimità della stella».

Lo strumento Sphere sulla piattaforma del telescopio. La parte termalizzata è all’interno della copertura nera. Sulla sinistra si nota il bordo del grande specchio da 8.2 metri della unità 3 di Vlt dell’Eso. Crediti: Eso/J. Girard

«L’Ifs è un classico spettrografo a trasmissione, per il quale però abbiamo dovuto realizzare all’ingresso un’innovativa matrice di microlenti. La sua progettazione e realizzazione è stata molto complicata (e anche abbastanza sofferta, ora possiamo dirlo)», spiega Riccardo Claudi (Inaf di Padova), project manager and system engineer dell’Ifs. «La principale complicazione derivava dall’avere per ogni lentina una figura di diffrazione, i cui massimi secondari non dovevano inquinare gli elementi vicini. La soluzione è stata un innovativo array di microlenti chiamato Bigre. Fortunatamente l’ambiente di lavoro è stato sempre sereno e l’attività molto stimolante».

Un contributo fondamentale alla costruzione dell’Ifs è stato dato da Enrico Cascone e Vincenzo De Caprio dell’Inaf di Napoli, i quali hanno curato rispettivamente il disegno dell’elettronica di controllo e il disegno meccanico, da Salvo Scuderi, Inaf di Catania, per la criogenia e il detector, ed Enrico Giro, Inaf di Padova, responsabile del Quality Control e Ait.

Fondamentale per un efficiente sfruttamento dello strumento è il software, interamente progettato e sviluppato in Italia. «Con i suoi tre bracci scientifici, un’ottica adattiva molto sofisticata e molteplici modalità osservative», sottolinea Andrea Baruffolo (Inaf Padova), responsabile del software di controllo di tutto Sphere, «lo strumento è assai complesso e ha richiesto una notevole mole di lavoro da parte del nostro team. Vedere che ora funziona in modo impeccabile e produce risultati scientifici eccezionali, per qualità e quantità, è per noi motivo di grande soddisfazione». 

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