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Dai petali dello specchio alle stelle laser: raggiunte le pietre miliari dell'ottica adattiva dell’ELT

06 Ottobre 2021

Il più grande specchio adattivo mai costruito, lo specchio M4 per il futuro Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO, ha raggiunto un'importante traguardo: tutti e sei i segmenti a forma di petalo che compongono lo specchio sono ora completati.

L’M4, il quarto specchio nel percorso della luce del telescopio, può cambiare forma in modo rapido e molto preciso ed è una parte fondamentale del sistema dell’ottica adattiva dell'ELT. La luce degli oggetti cosmici viene distorta dall'atmosfera del nostro pianeta, producendo immagini sfocate. Per correggere queste distorsioni, l'ELT utilizzerà hardware e software avanzati di ottica adattiva, alcuni dei quali sono stati sviluppati appositamente per il telescopio. Ciò include potenti laser che creano stelle di riferimento artificiali quando non ci sono stelle abbastanza luminose vicino all'oggetto di interesse per consentire le misurazioni delle distorsioni atmosferiche e telecamere di rilevamento veloci e accurate che misurano queste distorsioni. Le misurazioni vengono quindi passate su computer estremamente veloci in tempo reale in grado di calcolare le correzioni di forma necessarie da applicare all’M4. Oltre al completamento dei petali M4, questi sistemi hanno anche recentemente raggiunto traguardi chiave.

Grazie al suo sistema di ottica adattiva, l'ELT dell'ESO fornirà immagini più nitide di quelle riprese dagli attuali e futuri telescopi nello spazio, come il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA e il telescopio spaziale James Webb.

Consegnato il petalo finale dello specchio adattivo M4

Con un diametro di 2,4 metri, M4 è il più grande specchio deformabile mai realizzato e uno dei componenti più stimolanti ed emozionanti di quello che sarà il più grande telescopio al mondo nella banda del visibile e dell'infrarosso. Si compone di sei segmenti ultrasottili, gli ultimi due dei quali appen terminati.

I sei petali di M4 sono realizzati in Zerodur©, un materiale speciale in vetroceramica prodotto dalla SCHOTT in Germania. L'azienda francese Safran Reosc ha iniziato a lucidare i petali M4 nel 2017, trasformando ogni foglio di Zerodur© dello spessore di 35 mm in un segmento flessibile con uno spessore inferiore a 2 mm. Tutti i petali sono stati verificati dagli ingegneri dell'ESO prima di essere inviati all'azienda italiana AdOptica, che ha ricevuto l'ultimo solo pochi mesi fa.

Durante le fasi finali della produzione AdOptica ha applicato un rivestimento sulla superficie posteriore dello specchio e ha posto dei supporti laterali per collegare i petali alla struttura meccanica dell’M4. Inoltre, i tecnici dell'azienda hanno incollato più di 5000 magneti sulla superficie posteriore dello specchio, che svolgono un ruolo chiave nel deformare i segmenti flessibili dell’M4, effettuando regolazioni 1000 volte al secondo con una precisione di 50 nanometri, la dimensione del più piccolo virus.

Ora Safran Reosc sta lavorando alla produzione di un set identico di petali, portandone il numero totale a 12. Questi serviranno come pezzi di ricambio e verranno sostituiti ai sei petali originali quando questi dovranno essere rialluminati dopo alcuni anni di utilizzo, riducendo così al minimo l'interruzione del tempo di osservazione al telescopio.

Struttura di supporto di M4 in costruzione

Poiché i petali di M4 sono così sottili e devono essere deformati con incredibile precisione, richiedono una struttura di sostegno molto stabile, che funga da riferimento per i magneti che sostengono lo specchio e ne regolano la forma. Questa struttura viene realizzata dalla società francese Mersen in carburo di silicio Boostec®, uno dei materiali leggeri più rigidi a disposizione oggi, mentre la lucidatura finale è affidata alla società belga AMOS, che si trova nelle fasi finali di questo processo.

Portare la struttura di riferimento alla sua forma finale è estremamente impegnativo. AMOS mira a limitare le rugosità della superficie sotto ai 5 micron, cosa resa difficile dal fatto che la sua superficie ha molti fori per inserire gli attuatori di M4.

Una volta che completata e consegnata la struttura di riferimento, AdOptica può iniziare il lungo processo di integrazione dell'unità M4 completa, la struttura comprendente lo specchio, la struttura di sostegno e tutti gli elementi di supporto e connessione. AdOptica dovrebbe effettuare i primi test sullo specchio M4 completamente integrato nell'ultimo trimestre del 2022.

Collaudo del sistema laser di stelle guida

Uno dei componenti più visibili dei sistemi di ottica adattiva dell'ELT sarà il suo "sistema di stelle guida laser" costituito da 6 laser che generano stelle guida artificiali nell'alta atmosfera. Per misurare le distorsioni causate dall'atmosfera terrestre, il sistema di ottica adattiva dell'ELT richiede stelle luminose vicine all'oggetto di studio. Poiché queste stelle non sono sempre posizionate in modo conveniente, i sistemi laser dell'ELT consentiranno agli astronomi di creare stelle artificiali in qualsiasi punto del cielo sia necessario, eccitando gli atomi di sodio situati a circa 90 km di altitudine nell'atmosfera.

La prima sorgente laser per l'ELT dell'ESO è stata completata dalla società tedesca TOPTICA Projects nel maggio 2021 ed è stata consegnata all'ESO dove ora ha completato i test di collaudo.

Progresso per le fotocamere e i computer ultraveloci

Un altro componente essenziale del sistema di ottica adattiva dell'ELT dell'ESO sono le cosiddette telecamere di rilevamento del fronte d'onda, che fungono da "occhi" del telescopio rilevando la luce delle stelle guida. L'ELT dell'ESO sarà dotato di tre tipi complementari di telecamere per il rilevamento del fronte d'onda, ciascuna con un sensore di immagine o rivelatore distinto, che saranno utilizzate sia dal telescopio stesso che dagli strumenti scientifici.

Queste telecamere sono considerate così critiche per il funzionamento dell'ottica adattiva dell'ELT che l'ESO ha deciso di svolgere gran parte del lavoro internamente. Due tipi di fotocamere, chiamate ALICE e LISA, sono state progettate dall'ESO mentre il terzo tipo, FREDA, è l'adattamento di una fotocamera disponibile in commercio (C-RED One) prodotta dalla società francese First Light Imaging e modificata secondo gli standard dell'ELT da ingegneri dell'ESO. Inoltre, l'ESO ha sviluppato, in collaborazione con la società internazionale Teledyne, il rivelatore per LISA, che sarà pronto per la produzione entro la fine di quest'anno. Le attività di progettazione e la produzione di prototipi per tutte e tre le fotocamere dovrebbero essere completate il prossimo anno.

Computer speciali sull'ELT, chiamati computer in tempo reale per l'ottica adattiva, utilizzeranno quindi i segnali delle telecamere per calcolare come devono essere deformati gli specchi come l’M4 per correggere le distorsioni causate dalla turbolenza nell'atmosfera terrestre. Un prototipo di computer sviluppato all'ESO ha recentemente dimostrato di poter ricevere dati dai sensori della fotocamera e trasmetterli agli attuatori che deformano lo specchio in poche centinaia di microsecondi.

Anche se manca ancora qualche anno al completamento dei complessi sistemi di ottica adattiva dell'ELT, questi recenti progressi mostrano che sono stati compiuti passi avanti significativi verso la prima luce scientifica, fissata per il 2027. Una volta in funzione, l'ELT dell'ESO cambierà radicalmente ciò che sappiamo del nostro Universo e ci farà ripensare al posto che occupiamo nel cosmo.

Links

• Sito web ELT
• ELT M4 — Il più grande specchio adattivo mai costruito

Contatti

Elise Vernet
Responsible for M4 Unit at ESO
Garching bei München, Germany
Email: evernet@eso.org

Steffan Lewis
ELT Optical Control Project Manager at ESO
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Email: slewis@eso.org

Enrico Marchetti
Wave Front Sensor Camera Development Project Manager at ESO
Garching bei München, Germany
Email: emarchet@eso.org

Nick Kornweibel
ELT Control System Project Manager at ESO
Garching bei München, Germany
Email: nkornwei@eso.org

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Email: press@eso.org