martedì 15 giugno 2010

A noi Hubble ci fa un baffo

Torno a parlare del mio lavoro, anche se con quel che racconto qui io c'entro relativamente poco.

Una settimana fa è entrato ufficialmente in funzione il primo grosso sistema di ottica adattiva sviluppato nel mio osservatorio. Cos'è, in parole povere?

I telescopi da terra guardano le stelle attraverso l'atmosfera. Che è sì trasparente, ma tremula da matti, difatti le stelle, come san tutti, scintillano. In termini pratici, questo limita la massima risoluzione che si può ottenere (in parole povere l'ingrandimento) a mezzo secondo d'arco, cioè 2,5 mm a 1 km di distanza. Questo piazzando i telescopi nei siti dove l'aria è meno turbolenta, in alta montagna, in totale 4 o 5 posti al mondo(1). Anche con i migliori telescopi, quindi, non possiamo distinguere dettagli più fini.

Si può far di meglio andando nello spazio, e difatti Hubble arriva a distinguere dettagli di circa 1/10-1/20 di secondo d'arco, regalandoci quelle immagini dettagliatissime che conosciamo.

Ma da una quindicina d'anni si tenta una strada diversa. Se misuro la turbolenza atmosferica, e deformo uno specchio in modo opportuno, posso correggere le distorsioni mentre avvengono, e riottenere immagini nitide come se l'atmosfera non esistesse. Facile a dirsi, difficile a farsi, occorre costruire uno specchio di 90 cm di diametro, spesso poco più di un millimetro, montarlo (2) su centinaia di piccoli altoparlanti che 2000 volte a secondo lo piegano per seguire anche le più minuscole e veloci fluttuazioni dell'aria davanti al telescopio . E naturalmente misurare queste variazioni, in modo da calcolare, in meno di un millesimo di secondo, la corretta posizione di ciascun altoparlantino.


Lo specchio flessibile viene calato sopra i 672 attuatori che lo deformeranno per correggere la turbolenza atmosferica


Dietro il tutto c'è il lavoro di decine di persone, di tecnici che hanno avuto idee geniali, e abilità anche manuali praticamente uniche. Il cuore del sensore, al esempio, è una piramide di vetro in cui le facce convergono nel vertice con una precisione assoluta. La Zeiss ha tentato alcune volte di produrre questo oggetto, e alla fine ci ha rinunciato, e l'unica persona al mondo che oggi sa costruirle è un tecnico in pensione. Fortunatamente con ancora voglia di lavorare.

I risultati sono visibili in un comunicato stampa dell'INAF, assieme ad un po' di immagini. Una particolarmente bella riprede il centro di un ammasso globulare, una micro-galassia satellite della Via Lattea.
Il centro dell'ammasso globulare M92 nel vicino infrarosso. A sinistra ripreso da Hubble, a destra dal telescopio LBT con il sistema di ottica adattiva.

Hubble ha una risoluzione nel vicino infrarosso di circa 0,12 secondi d'arco, mentre il dettaglio ottenuto dal nuovo sistema è di 0,04 secondi d'arco, vale a dire circa 2 decimi di millimetro a un chilometro di distanza. E la differenza si vede(3). E questo ad un costo che è una frazione minuscola di quanto costi un telescopio spaziale.

A proposito di costi, quanto tutto questo costa allo Stato italiano? Sembra strano, ma ci guadagnerà pure un bel po'. Infatti sono già prenotati altri 5 sistemi simili per altri telescopi, che verranno finanziati dai rispettivi stati o enti. Si tratta di commesse industriali per circa 10 volte il costo sostenuto dal ministero della ricerca scientifica per finanziare il progetto. Solo con l'IVA quindi si incasserà il doppio della spesa. Commesse industriali significano stipendi, lavoro, in un momento di recessione è una manna dal cielo, e probabilmente altre tasse che finiranno nelle casse dello Stato. Sempreché il tecnico non si stufi di costruire piramidi precise ad una frazione di micron, visto che una persona che impari da lui non la si può assumere.

Note:
1) Di solito va peggio, a Firenze difficilmente si scende sotto i CINQUE secondi d'arco.
2) Naturalmente senza romperlo, e non è banale. Abbiamo una lunga scorta di anni di guai, ad Arcetri
3) Ocorre dire che Hubble funziona meglio con la luce visibile, dove l'ottica adattiva è ancora da perfezionare, per cui non andrà ancora in pensione.

17 commenti:

Enrico ha detto...

Chapeau

ValterVB ha detto...
Questo commento è stato eliminato dall'autore.
ValterVB ha detto...

Tanto di cappello a chi l'ha ideato e sopratutto a chi è riuscito a metterlo in pratica.

Domanda: Si possono utilizzare specchi più grandi?

Ciao
VB

markogts ha detto...

Scusa, non capisco una cosa: 900 mm di diametro, 0, 04 secondi d'arco. Nel visibile la regola spannometrica è 120/D, quindi nel visibile farebbe 0,13 secondi d'arco. Andando nell'infrarosso, le cose dovrebbero peggiorare. Cosa sto dimenticando?

Altra domanda: ma le ottiche adattive non le avevano già fatte altri? http://en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_optics#Adaptive_optics_in_astronomy

Ancora: usate anche voi una stella finta fatta col laser?

Gianni Comoretto ha detto...

Gli specchi principali del telescopio (LBT hanno un diametro di 8,4 metri (sono due). Lo specchio correttore è il secondario, per motivi di praticità, ma quel che si corregge sono le turbolenze su una "pupilla" di 8 metri.

I telescopi di prossima generazione, come EELT, prevedono un'ottica attiva anche allo specchio primario (di 40 metri), ma non puoi muovere un oggetto così grosso in mezzo millisecondo, per cui serve sempre un sistema a specchio sottile di dimensioni minori.

Gianni Comoretto ha detto...

Esistono altri sistemi di ottica adattiva. Ma non si riesce ad arrivare a queste prestazioni, questo è il primo telescopio in cui il sistema di correzione è parte del telescopio stesso.

Il sensore a piramide è intrinsecamente migliore di quelli utilizzati di solito, e consente di usare come riferimento (serve una sorgente puntiforme per misura le distorsioni) una stella presente nel campo. Si sta implementando anche un sistema di stella laser, e sistemi più complessi a due stelle, correggendo la turbolenza a quote differenti.

Alla fine c'è dentro un sacco di ottica e di fisica dell'atmosfera, un gruppo fa solo modelli, e osservazioni, di turbolenza atmosferica, per capire e prevedere il seeing.

Paolo C. ha detto...

OT: sei poi riuscito a parlare della 'Nube' con Francesco Palla?

Science Backstage

Luca ha detto...

Il tecnico in questione è lo stesso che aveva fotografato gli spettri di emissione delle lucciole? Se sì, l'ho conosciuto qualche anno fa ad una riunione del Gruppo Comete della UAI, ficcanasando per i giardini di Arcetri :-). Se ricordo bene stava proprio lavorando su una di quelle piramidi (credo uno dei primi prototipi), spiegandomi delle tolleranze necessarie.

Ciò che mi ha impressionato di più sono state le condizioni di lavoro: altro che laboratorio supermoderno, tutto cromature, neon e strumentazione da capogiro, ma una sorta di oscuro antro/ripostiglio/officina che aveva visto anni migliori (forse qualche secolo fa...), e nonostante tutto riusciva a produrre oggetti di altissima precisione.

Luca.

Aldo Piombino ha detto...

da sottolineare sia la "grandezza" della realizzazione sia il ritorno economico della stessa.
c'è qualche temine migliore di "smisuratamente bravi" per definirvi?

MaRaNtZ ha detto...

Una cosa che mi ha sempre incuriosito...

Ma come diavolo si fa a misurare la distorsione dell'atmosfera ?

Ho sentito parlare di una stella artificiale creata da un raggio laser, che funge da sistema di riferimento, ma come si può un singolo spot estrapolare i dati per capire come agire tu tutte quelle centinaia di attuatori ?

Sarebbe interessante leggere un articolo su questo specifico argomento!

Orsovolante ha detto...

So pochissimo... meglio dire niente della materia ma trovo tutto questo estremamente affascinante.
Anche a me piacerebbe leggere di più.

PS ho visto qualche cosa a proposito di un esperimento della NASA che ha montato un telescopio sul suo 747 modificato. Credo l'intento sia sempre quello di eliminare i disturbi dovuti alle perturbazioni. Ma alla fine il vostro sistema è assolutamente migliore e, credo, meno costoso.

Gianni Comoretto ha detto...

@orso: il telescopio sul 747 è SOFIA. È un telescopio relativamente piccolo (2,5 metri), ma che opera a lunghezze d'onda che sono invisibili da terra (anche da quote elevate). Quindi le dimensioni sono quelle dello space telescope, ma l'intervallo di lunghezze d'onda visto va dal vicino infrarosso ( 1 um) al submillimetrico (1 mm), che ST non vede.
Per dettagli rimando al loro sito http://www.sofia.usra.edu/index.html

Gli algoritmi di correzione sono piuttosto complessi, ma ilprincipio base è guardare il frinte d'onda prodotto da una singola stella (naturale o artificiale). Se non ci sono turbolenze, il fronte d'onda è un piano. Si guarda quindi un'immagine molto sfuocata della stella, con un apposito sensore che misura su ciascun punto quanto il fronte d'onda arrivi "storto".

Il sensore più semplice e' formato da una schiera di lentine, e l'immagine della stella in ciascun punto si sposta rispetto al centro in modo proporzionale a quanto il fronte sia inclinato. Si ricostruisce quindi al computer il fronte complessivo, e si comanda gli specchi per correggere.

Di solito il sensore è messo dopo lo specchio, in modo da misurare l'immagine già corretta, e quindi si calcolano le correzioni da dare in più rispetto a quelle già presenti.

Giuliano47 ha detto...

Curiosita`: questo dispositivo e` rumoroso? Le centinaia di altoparlantini...

Gianni Comoretto ha detto...

Ho girato la domanda a chi ci lavora.

In effetti il secondario ronza e l'effetto e' udibile a un metro di distanza in un ambiente aperto. Il ronzio e' dato dall'amplificazione del rumore di lettura dei sensori capacitivi usati dalla metrologia interna del secondario che e' usata per posizionare la shell alla posizione comandata dal sensore di fronte d'onda. In quanto rumore l'effetto e' il ronzio.

I sensori di posizione interni servono perche' gli attuatori sono attuatori di forza (magnete-bobina), e richiedono un feedback di posizione per regolare la forza ed andare alla posizione comandata.

Al prototipo da 45 attuatori abbiamo passato uno stream di comandi riscalati da un file WAV (file audio) e l'abbiamo fatto parlare, la voce e' un po' grave (la banda e' sotto il kHz) ma funziona come un woofer audio con molta meno potenza. Non lo abbiamo mai fatto con l'unita' da telescopio, ovviamente.

Ciao,
Armando

Nicolò ha detto...

Leggo solo ora,
è semplicemente fantastico,
sarebbe dovuto finire su tutti i TG nazionali!

jumpjack ha detto...

Come fanno i telescopi ad ottica adattiva a sapere come "modificarsi"? Forse confrontando la posizione teorica di stelle note con quella effettivamente osservata?

Gianni Comoretto ha detto...

Si guarda una stella brillante, si calcola le deformazioni da come quella risulta distorta (parecchio più complicato, la distorsione viene analizzata da "sensori di fronte d'onda"), e si corregge la forma di uno specchio in tempo reale, ripetendo il tutto finché l'immagine della stella non risulti puntiforme.

Se la stella non c'è, si illumina gli strati alti dell'atmosfera, ben sopra quelli che causano le distorsioni, con un laser al sodio, creando una "stella artificiale".

La correzione funziona solo vicino alla stella. Si stanno studiando sistemi che correggono un campo più ampio, usando più stelle e più specchi correttori.