UO3: Tecnologie per l’Alta Risoluzione Spettrale

La UO3 si occuperà dello svolgimento delle attività di ricerca e sviluppo nel campo della spettroscopia ad alta risoluzione in cui INAF ha acquisito negli ultimi anni delle competenze che lo pongono ai primi posti in ambito non solo europeo ma anche mondiale. GIARPS al TNG rappresenta un laboratorio scientifico e tecnologico unico, fondamentale per la nostra comunità. Progetti ESO di punta come CRIRES+ ed ESPRESSO, hanno visto un notevole coinvolgimento tecnologico dell’INAF. Attualmente, INAF è alla guida del consorzio che conduce lo studio di fase A per lo spettrografo HIRES per l’E-ELT, a conferma dell’eccellenza raggiunta in questo campo. Nell’ambito del programma Opticon, l’INAF ha inoltre acquisito un ruolo di primissima importanza nella progettazione di reticoli disperdenti nonché la messa a punto di tecnologie realizzative innovative e sempre più performanti. L’UO3 lavorerà perché INAF possa mantenere il ruolo di leadership in questo settore e giocare un ruolo fondamentale nella costruzione degli strumenti di nuova generazione, focalizzandosi in particolare su:

  • Tecnologie di integrazione optomeccanica
  • Soluzioni innovative per l’elettronica, il software di controllo e il software scientifico di strumenti astronomici di nuova generazione
  • Tecnologie criogeniche e ottimizzazione di spettrografi infrarossi.

Mettendo a frutto investimenti provenienti da premiali precedenti (T-Rex), l’INAF si è dotata di strumentazione metrologica all’avanguardia. Impiegando questa tecnologia nell’ambito dell’integrazione opto-meccanica, nonché grazie all’esperienza decennale maturata nell’integrazione optomeccanica con tecniche tradizionali (per strumenti come Dolores al TNG, X-Shooter al VLT, Sphere al VLT…) si è eseguito con successo ed efficacia l’allineamento e l’ottimizzazione dello spettrografo ad alta risoluzione ESPRESSO al VLT.

L’INAF ha di fatto sviluppato nuove tecniche di integrazione ottica basata su metrologia meccanica che riducono i tempi di integrazione e facilitano l’utilizzo di montature super stabili. Il WP3.2 si dedicherà al potenziamento di questa attività al fine di semplificarne le fasi di integrazione in sistemi opto-meccanici di medio-grandi dimensioni; attività essenziale per il raggiungimento dei requisiti molto stringenti della strumentazione ad alta risoluzione di nuova generazione dedicata a telescopi di classe 30-40m. Lo stesso WP si occuperà di sviluppare e applicare le nuove tecniche di ingegneria di sistema (Model Based System Engineering, Object Oriented System Engineering Method, …) adattandole all’impiego nella strumentazione astronomica. Inoltre, il WP3.2 svolgerà attività di ricerca e sviluppo nell’ambito dei reticoli di tipo echelle, i quali sono tuttora basati su reticoli che lavorano in riflessione e risultano un elemento indispensabile per realizzare sistemi ad alta risoluzione. La possibilità di sviluppare reticoli echelle che lavorano in trasmissione risulta cruciale per poter avere lo stesso salto prestazionale che si è avuto nei reticoli a bassa dispersione grazie all’introduzione dei reticoli olografici di volume (VPHG) che mostrano efficienze superiori al 90% e dei reticoli litografici. La possibilità inoltre di inserire in un unico device più di un elemento disperdente semplificherebbe notevolmente il progetto dell’intero strumento spettrografico. Questa attività in parte avviata grazie a programmi quali Opticon, renderebbe INAF uno tra i pochi istituti astronomici aventi non solo le conoscenze necessarie alla progettazione dei reticoli ma anche le capacità costruttive.

Il WP3.3 mira a consolidare i livelli di eccellenza riconosciuti su scala europea ed internazionale di elettronica e software di controllo ed analisi dati per strumentazione astronomica all’avanguardia, in particolare, in vista della costruzione dello spettrografo HIRES all’E-ELT. L’attività relativa al software di controllo prevede in una prima fase uno studio di fattibilità, che terrà conto dei requisiti derivanti dalla descrizione preliminare dello strumento sia in termini di operazioni di alto livello che di controlli a basso livello. In una seconda fase si procederà a progettare l’architettura software del sistema che, vista la complessità degli strumenti moderni prevede tipicamente l’identificazione di diversi sottosistemi software interagenti tra loro. Il disegno di questi sottosistemi come la loro modalità di interazione sarà oggetto dettagliato di studio per garantire soluzioni ottimali in termini di capacità operativa, prestazioni, interoperabilità e manutenzione a lungo termine in condizioni ambientali sfavorevoli. Una terza fase vedrà l’implementazione di alcuni prototipi di software e hardware basati sull’architettura proposta in grado di implementare le principali funzionalità del sistema. Per i sistemi di controllo recenti inoltre si fa sempre più affidamento a sistemi commerciali; un principio applicato a tutti i componenti del sistema come ad esempio quelli elettromeccanici utilizzati per i posizionamenti di precisione. Uno degli obiettivi di questo WP sarà quello di approfondire la conoscenza e valutare continuamente le nuove proposte dei produttori specializzati nel campo. Con l’aumento della complessità dei sistemi di controllo, la gestione e soprattutto la verifica della configurazione di tutti i sub-componenti è un compito critico per salvaguardare le prestazioni. Partendo da questo punto, si prevede pertanto di sperimentare e sviluppare nuove tecniche software e hardware, mirate a semplificare ed effettuare l’autoverifica della corretta configurazione a livello di sistema. Lo sfruttamento scientifico ottimale della moderna (e futura) strumentazione astronomica richiede oltre a competenze di controllo anche dedicati software per la riduzione ed analisi dati ottimizzati per i casi scientifici dello strumento. Le competenze nella progettazione e sviluppo di tali software sono cresciute nell’ambito del progetto ESPRESSO con la ricerca di soluzioni innovative ed in prospettiva, il WP3.3 lavorerà perché tali competenze possano ulteriormente rafforzarsi per permettere di raggiungere gli obiettivi scientifici sempre più ambiziosi della strumentazione futura.

Infine, il WP3.4 si prefigge di potenziare l’esperienza maturata in oltre due decenni nella progettazione e costruzione di spettrometri criogenici che lavorano a lunghezze d’onda infrarosse. Attualmente, INAF è all’avanguardia mondiale nel campo della spettroscopia infrarossa ad alta risoluzione grazie allo strumento GIANO operante al Telescopio Nazionale Galileo. La progettazione e costruzione di questo spettrometro – unico al mondo nel suo tipo – è stata possibile grazie ad una profonda e continua collaborazione con ditte Italiane altamente specializzate nel campo della criogenia (Criotec Impianti) e dell’ottica (Pecchioli Research). Questa collaborazione è proseguita con la sperimentazione di nuove tecnologie relative a micro-ottiche per fibre-IR e relative interfacce criogeniche, nell’ambito di progetti premiali precedenti (T-Rex). Nell’attuale progetto proponiamo di potenziare questa collaborazione sviluppando criostati ultra-stabili (variazioni di temperatura inferiore a 0.001 K/giorno) e coatings ad altissima efficienza (perdite inferiori a 0.3% per superficie su tutta la banda infrarossa) per ottiche di grandi dimensioni che lavorano in ambiente criogenico. Tutte queste attività sono finalizzate ad ottimizzare le prestazioni degli spettrometri in modo da raggiungere e superare i limiti strumentali estremi richiesti dagli obiettivi scientifici più ambiziosi (p.e. misure di abbondanze chimiche in pianeti extra-solari simili alla terra, verifica della stabilità delle costanti fisiche su scale di tempi cosmologiche). A tal fine prevediamo anche un dettagliato lavoro di simulazione dei dati includendo e modellando tutti gli effetti strumentali. L’attività di simulazione è fondamentale per individuare e correggere gli aspetti più critici della progettazione dello spettrometro.

L’UO3 è organizzata in 4 WPs:

Componenti l’UO3:

Aliverti Matteo, Baldini Veronica, Bianco Andrea, Cirami Roberto, Coretti Igor, del Vecchio Ciro, Di Marcantonio Paolo, Dolci Mauro, Falcini Gilberto, Ferruzzi Debora, Genoni Matteo, Landoni Marco, Licausi Gianluca, Mason Elena, Moschetti Manuele, Oggioni Luca, Oliva Ernesto, Pariani Giorgio, Tozzi Andrea, Xompero Marco, Zanutta Alessio.