Il sensore di fronte d’onda a piramide nei laboratori di ottica adattiva dell’Inaf di Arcetri a Firenze. Crediti: R. Bonuccelli/Ufficio stampa Inaf
Per compensare il deterioramento delle immagini astronomiche causato dalla turbolenza atmosferica, la diffusione dei sistemi di ottica adattiva nella strumentazione astronomica dei grandi telescopi terrestri è ormai imprescindibile. Oltre a questo, i nuovi telescopi di classe 25-40 metri devono rispondere anche a un’altra sfida: le loro grandi superfici riflettenti sono composte da ottiche segmentate, non monolitiche, e per garantire la loro performance bisogna poter controllare la posizione dei segmenti con precisione nanometrica.
Negli ultimi quindici anni, è ormai una soluzione standard utilizzare sistemi di ottica adattiva con il sensore di fronte d’onda a piramide, idea non solo made in Italy ma letteralmente made in Inaf, messa in campo da Roberto Ragazzoni nel 1996. Il sensore a piramide è già utilizzato in alcuni dei più grandi telescopi da terra di tutto il mondo, ed è destinato ai telescopi giganti oggi in costruzione, come l’europeo Extremely Large Telescope e gli americani Giant Magellan Telescope e Thirty Meter Telescope, che richiederanno accorgimenti specifici per preservare l’allineamento dei specchi segmentati.
Una nuova tecnica proposta da Guido Agapito, Enrico Pinna e Simone Esposito dell’Inaf di Arcetri, in collaborazione con lo European Southern Observatory (Eso) e il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Lam), consentirà di sfruttare un unico sensore a piramide per la correzione della turbolenza atmosferica e contemporaneamente il controllo dei segmenti dello specchio deformabile.
I risultati di questo approccio, ottenuti a seguito di una serie di simulazioni in laboratorio, sono riportati in uno studio pubblicato la settimana scorsa su Astronomy & Astrophysics, e aprono le porte a un nuovo utilizzo del sensore a piramide, sia per la correzione della turbolenza atmosferica che per la compensazione del disallineamento degli specchi segmentati.
Crediti: Agapito et al. 2023
Questo studio si inserisce nel contesto più ampio dello sviluppo dei moduli di ottica adattiva “a stella naturale” per la prossima generazione di telescopi, sistemi utili a correggere il deterioramento delle immagini dovuto alla turbolenza atmosferica ma anche, appunto, a compensare la deformazione associata alla perdita di fase degli specchi segmentati – disturbo chiamato “pistone differenziale”. Generalmente, infatti, il sensore a piramide viene utilizzato modulando l’inclinazione della punta della piramide per aumentare l’intervallo di linearità del sensore, ma il caso non modulato si è rivelato molto promettente, perché ne aumenterebbe a sua volta la sensibilità. Di solito questa opzione viene evitata, a causa della ridotta linearità che ne consegue e che impedisce un funzionamento molto efficiente in presenza di turbolenza atmosferica. Questo lavoro mostra invece che, con un nuovo approccio alla calibrazione del sensore a piramide, è possibile preservare sia la sensibilità che l’affidabilità delle sue misure.
L’alta sensibilità rimane un requisito estremamente interessante per i futuri telescopi giganti con specchi segmentati, dove si vuole correggere la turbolenza atmosferica e, contemporaneamente, mantenere in fase tutti i segmenti. Inoltre alcuni dei telescopi di nuova generazione dovranno raggiungere livelli di contrasto particolarmente alti, cosa possibile solo con sensori molto sensibili.
Banco ottico nel laboratorio di ottica adattiva dell’Inaf di Arcetri. Crediti: R. Bonuccelli/Ufficio stampa Inaf
«Il nostro gruppo sta lavorando al sistema di ottica adattiva a stella guida naturale per il Giant Magellan Telescope (Gmt) da 25 metri e per lo spettrografo Andes per l’Elt da quasi quaranta metri. Entrambi i moduli prevedono il sensore a piramide», spiega Guido Agapito, tecnologo all’Inaf di Arcetri alla guida dello studio pubblicato su A&A, «e devono occuparsi, oltre che della correzione della turbolenza atmosferica, di mantenere in fase gli specchi deformabili segmentati, di cui sia Gmt che Elt sono dotati. Per questo cerchiamo un modo per massimizzare la sensibilità del sensore di fronte d’onda a piramide al pistone differenziale. In questo contesto stiamo approfondendo vecchie idee e studiando nuovi approcci per avere una soluzione affidabile al problema del controllo di sistemi di ottica adattiva in telescopi con specchi segmentati. Un lavoro, il nostro, stimolato dalla collaborazione che portiamo avanti con altri istituti – il Lam e l’ Eso – che si trovano ad affrontare gli stessi problemi, sia per lo strumento Harmoni che per gli altri sistemi di ottica adattiva a piramide per Elt. Recentemente, infatti, un primo test con la piramide senza modulazione è stato fatto dai colleghi del Lam con il sistema Papyrus, e in questi giorni parte di quanto abbiamo presentato nell’articolo viene usato all’interno del lavoro che stiamo facendo per Andes».
«Il nostro gruppo ha maturato una grande esperienza grazie al lavoro e ai risultati che abbiamo ottenuto su Lbt con il sensore di fronte d’onda a piramide dei progetti Flao e Soul. Adesso, con questo studio e con altre attività, ci stiamo preparando alla prossima generazione di strumenti: in particolare, il risultato che abbiamo presentato su A&A permetterà di sfruttare al meglio questa tecnologia applicata alla nuova sfida degli Extremely Large Telescope, oggi in costruzione», aggiunge Enrico Pinna, coautore dell’articolo e responsabile scientifico dello strumento Soul, montato su Lbt. «La tecnica proposta ha il grande pregio di poter essere applicata a qualsiasi sensore a piramide, anche già esistente: richiede semplicemente di arrestare la modulazione e impiegare la nuova strategia di calibrazione. Infine, è importante ricordare che ogni guadagno in sensibilità del sensore di ottica adattiva offre sia contrasti migliori nelle immagini delle stelle brillanti, per analizzare un maggior numero di esopianeti, che una migliore copertura del cielo per lo studio ad alta risoluzione di oggetti extragalattici».
Per saperne di più:
- Leggi su Astronomy & Astrophysics l’articolo “Non-modulated pyramid wavefront sensor: Use in sensing and correcting atmospheric turbulence’, di Guido Agapito, Enrico Pinna, Simone Esposito, Cedric Taïssir Heritier e Sylvain Oberti
- Guarda su Universi la galleria fotografica dedicata alla facility di ottica adattiva di Arcetri