Ecco la prima immagine del cielo ottenuta, usando il metodo della varianza, con il telescopio Astri puntato verso la costellazione di Orione. L’immagine è servita a verificare il grado di allineamento delle ottiche. Il colore violetto presente come sfondo è dovuto al background luminoso diffuso, e la sua distribuzione permette di individuare facilmente i sensori della camera nei quali si verificano assorbimenti di corrente anomali. Crediti: Team Astri/Inaf
Si chiama Astri, acronimo per Astrofisica con specchi a tecnologia replicante italiana, ed è un un prototipo – sviluppato dall’Istituto nazionale di astrofisica – degli small size telescopes per il Cherenkov Telescope Array (Cta), il futuro osservatorio per raggi gamma. Astri appartiene all’ultima generazione di Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (Iact), e grazie alla sua innovativa configurazione a due specchi (di tipo Schwarzschild-Couder), mai realizzata prima per uno strumento di questo tipo, ha dimostrato di poter restituire immagini con risoluzione angolare costante su un grande campo di vista.
La camera di Astri è in grado di rivelare non solo la luce Cherenkov prodotta nell’interazione con l’atmosfera da parte di raggi cosmici o raggi gamma di altissima energia, ma anche produrre immagini del cielo notturno utilizzando il metodo statistico della varianza. L’immagine della Cintura di Orione che vedete qui in apertura, scelta per essere confrontata con quella ottenuta dalla camera ottica, è proprio un esempio di tale tecnica.
Il metodo della varianza è basato sull’analisi statistica della variabilità del segnale rivelato nell’elettronica della camera, e prevede il campionamento ripetuto in modo casuale del segnale elettrico generato da ciascuno dei sensori ottici. Quello che si ottiene è, per ciascuno di essi, una sequenza di impulsi la cui media è costante nel tempo, ma la cui varianza (cioè la dispersione intorno al valore medio) è direttamente proporzionale all’intensità del flusso luminoso che arriva sui sensori ottici della camera. Questo metodo, che opera in parallelo alla normale attività di rivelazione degli eventi gamma osservando la luce Cherenkov da loro emessi in alta atmosfera, consente quindi di risalire, indirettamente, al flusso luminoso del cielo notturno (generato dalle stelle e dal fondo cielo diffuso) nel campo di vista del telescopio.
Il telescopio Astri a Serra La Nave, sul Monte Etna. Crediti: Team Astri/Inaf
Poiché la posizione delle stelle è nota con grande precisione, risulta immediato verificare il puntamento effettivo del telescopio misurando lo scostamento tra le posizioni delle stelle visibili nelle immagine di varianza e la loro posizione nominale. Inoltre, nelle immagini generate con questa tecnica, si riescono a individuare facilmente eventuali disallineamenti degli specchi causati, per esempio, da condizioni atmosferiche (i telescopi Cherenkov non sono provvisti di una cupola di protezione, come si può vedere dalla fotografia qui accanto).
Il sistema elettronico di un telescopio Cherenkov come Astri è ottimizzato per rivelare, utilizzando circuiti elettronici particolarmente veloci, impulsi di luce aventi una durata di alcuni miliardesimi di secondo – come accade per lampi Cherenkov – ma non è, di per sé, in grado di misurare direttamente una luce costante, o lentamente variabile nel tempo, come quella proveniente dalle stelle. Per questo, un telescopio con un’elettronica come quella di Astri non è normalmente in grado di generare direttamente immagini del cielo notturno con modalità analoghe a quelle usate nei telescopi ottici. Tuttavia, la capacità di visualizzazione del cielo stellato nel campo di vista del telescopio è estremamente importante per verificare la qualità del suo puntamento, monitorare il corretto allineamento degli specchi e permettere una misura diretta del rumore di fondo del cielo. Inoltre può potenzialmente permettere di effettuare in simultanea osservazioni in raggi gamma e nel visibile di sorgenti astrofisiche.
«Si tratta di applicare un concetto statistico di base, la varianza, all’analisi dei segnali elettronici, con un connubio che riesce a dare ottimi risultati immediati, in modo ripetibile, e soprattutto a costo zero», spiega a Media Inaf Osvaldo Catalano dell’Inaf Iasf di Palermo, co-principal investigator del progetto Astri. «Il metodo della varianza ha innumerevoli applicazioni e un forte impatto sulla qualità della performance del telescopio, permettendo anche di estrarre molteplici informazioni tra cui lo stato dell’elettronica di front-end della camera, e molto ancora, pur senza richiedere elettronica aggiuntiva».
La costellazione di Orione nel visibile. Le tre stelle della Costellazione di Orione Alnitak, Alnilam e Mintaka allineate al centro formano la Cintura. Crediti: Davide De Martin & the Esa/Eso/Nasa Photoshop Fits Liberator
«La tecnica di per sé non è nuova, essendo stata già stata utilizzata in passato per la verifica del puntamento dei telescopi di fluorescenza del Pierre Auger Observatory, un osservatorio internazionale progettato per rivelare raggi cosmici di altissima energia», aggiunge un altro ricercatore all’Inaf Iasf di Palermo, Alberto Segreto, promotore dell’implementazione del metodo della varianza nella camera Astri. «È stato proprio analizzando i dati di varianza generati dai telescopi dell’Osservatorio Pierre Auger che ho capito le enormi potenzialità di questa tecnica e realizzato che essa può essere sfruttata per innumerevoli altri scopi, per i quali è normalmente richiesto l’uso di costose strumentazioni ausiliarie e complesse procedure di misura. In particolare, in Astri la tecnica della varianza sarà usata non solo per ottenere immagini del cielo ma anche, per la prima volta in assoluto, per monitorare l’evoluzione temporale della calibrazione dei telescopi tramite osservazione di stelle di riferimento, e per misurare l’attenuazione atmosferica e la presenza di nuvole nel campo di vista del telescopio».
Nei piani osservativi del team Astri è prevista l’acquisizione periodica di immagini di varianza, simultaneamente alle acquisizioni di dati di tipo scientifico usati per fare astronomia gamma. Un risultato tecnologico, quello ottenuto con questa prima immagine, importante in vista dell’implementazione dei telescopi Astri nel Cherenkov Telescope Array, la nuova generazione di telescopi da terra per astronomia nei raggi gamma altamente energetici.