Raggiungere Le Stelle Con Hexagon
Per svelare i misteri dell’universo, gli strumenti di misura avanzati sono fondamentali.
Creato nel 1995, il Centro di Ricerche Astrofisiche di Lione (CRAL), un laboratorio di ricerca fondamentale per gli osservatori principali, è focalizzato sull’astrofisica e lo sviluppo di strumenti. Team di ottici, meccanici, project manager, scienziati computazionali e ingegneri elettronici al CRAL stanno costruendo spettrografi per equipaggiare grandi telescopi di ricerca nel mondo. Il centro funziona sotto la supervisione di tre enti: l’Università di Lione, il Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica (CNRS) e l’Ecole Normale Supérieure (ENS) di Lione.
Quando un astrofisico vuole esplorare una galassia lontana, scoprire la composizione chimica delle galassie o trovare esoplaneti, generalmente un semplice telescopio non è più sufficiente. Dobbiamo aggiungere un “occhio smart”. Per rilevare ad esempio la luce dalle galassie giovani, si devono isolare le linee caratteristiche dell’atomo di idrogeno e questo richiede uno spettrografo che può scomporre la luce nelle sue lunghezze d’onda per l’ulteriore analisi.
Florence Laurent, progettista ottico e capo del team di strumentazione CRAL, spiega: “In astronomia, la luce raccolta dal telescopio passa attraverso gli strati dell’atmosfera e i fotoni recuperati sono disturbati. Alcuni anni fa le immagini ricevute erano naturalmente degradate e non era necessario che gli strumenti fossero molto precisi. Dagli anni 2000, i sistemi ottici adattativi correggono i disturbi atmosferici in tempo reale e permettono di ottenere immagini molto più precise con una risoluzione migliore. Gli ingegneri hanno dovuto così creare strumenti sempre più allineati. Questo allineamento richiede strumenti di misura efficienti e adeguati.
“Il nostro primo strumento di misura è stato un braccio di misura ROMER Sigma, seguito da un sensore 3D TESA nel 2008 durante il progetto MUSE1. Il braccio è stato usato per allineare gli oggetti tra loro e misurare sistemi piccoli. Il sensore TESA era dedicato alla verifica di supporti meccanici, lavorati con una precisione di 10 micron. Ma i vincoli di volume dello strumento assemblato completo (lo strumento più grande mai installato su di un telescopio) richiedeva una macchina che misurasse in una scala maggiore.”
Attualmente il CRAL lavora al progetto 4MOST come parte di un consorzio di 13 istituti europei guidato dall’Istituto Leibniz di Astrofisica di Potsdam in Germania. Lo strumento 4MOST è uno spettrografo a campo ampio multifibra per il telescopio VISTA dell’Osservatorio Europeo Astrale (ESO) nel Deserto di Atacama in Cile.
Lo spettrografo scompone la luce che arriva da una stella o galassia in lunghezze d’onda e sarà in grado di rilevare le sottostrutture chimiche e cinematiche nell’alone stellare, il rigonfiamento e i dischi sottili e spessi nella Via Lattea che permettono di dipanare le origini della galassia. Il progetto 4MOST è attualmente in fase di produzione e l’inizio delle attività scientifiche è previsto per il 2022.
Hexagon’s instruments and solutions offer us a complete range that is essential in our research.
Dopo aver ricevuto le specifiche scientifiche, il CRAL che ha l’incarico di eseguire la costruzione dei due spettrografi a bassa risoluzione dello strumento 4MOST, dedicherà inizialmente due anni a studi preliminari dello strumento (disegni ottici, meccanici, elettronici) per valutare il concetto. Saranno poi necessari altri due anni per completare i progetti finali. Ottenuta l’approvazione, il team farà costruire l’ottica e la meccanica. Tutte le parti ordinate saranno centralizzate nel sito di Lione per il montaggio e l’allineamento. La posizione di uno specchio rispetto alle interfacce è fondamentale. Questo allineamento dev’essere estremamente preciso per alcuni elementi, cioè attorno ai 10 micron.
“I nostri dispositivi di misura erano immediatamente operativi e ci hanno permesso di iniziare rapidamente le nostre attività. Le tolleranze desiderate facevano parte delle specifiche e la precisione di 11,5 micron dell’Absolute Arm Serie 85 era esattamente quello che ci serviva. L’ergonomia del nuovo braccio lo rende molto piacevole da usare: è molto bilanciato e offre un’ottima accessibilità ai nostri target. Anche i collegamenti USB e WiFi sono molto pratici.
“L’importazione visiva dei dati CAD con il software SpatialAnalyzer è un grande vantaggio e offre report chiari, rapidi e semplici. Anche le molte opzioni possibili durante la messa a punto del nuovo braccio sono state molto utili. Cinque dipendenti hanno ricevuto la formazione in due sessioni e questo ci ha permesso di usare il braccio tra l’una e l’altra e di ottenere risposte concrete e specifiche alle nostre domande.”
Il team tecnico del CRAL lavora anche allo studio dello strumento HARMONI nell’ambito del progetto Extremely Large Telescope (ELT)3 . Questo strumento ha la capacità di vedere nell’infrarosso dove “tutto irradia”. Per evitare di vedere solo il riflesso della meccanica e dell’ottica dello strumento quando si esplorano le galassie, la temperatura dello strumento dev’essere abbassata a 130 Kelvin - meno 143 gradi centigradi. Questo abbassamento della temperatura dev’essere effettuato in molte fasi, la prima delle quali è quella di creare il vuoto (per evitare il gelo). Lo strumento dev’essere quindi posto in un criostato e questo rende le misure tecnicamente molto complesse con gli strumenti di misura tradizionali (perpendicolarità del laser, parametro del coefficiente per compensare la deformazione dovuta a finestra, ecc.).
Per evitare questi problemi con gli strumenti di metrologia tradizionali, il CRAL ha optato per la fotogrammetria sviluppando un periscopio speciale. Questo sviluppo viene effettuato con l’impiego di un sistema della DPA Series che è stato personalizzato dal team tecnico.
“Ogni progetto ci permette di migliorare i nostri processi di misura e far funzionare le nostre macchine in modo più efficiente. La portabilità del laser tracker ci permette ad esempio di fare dei controlli direttamente presso i nostri fornitori. Il connubio di Absolute Arm e laser tracker sarà operativo molto presto e ci offrirà un vero risparmio di tempo nell’installazione ad esempio dei riferimenti del braccio.” conclude Florence Laurent.
Quando un astrofisico vuole esplorare una galassia lontana, scoprire la composizione chimica delle galassie o trovare esoplaneti, generalmente un semplice telescopio non è più sufficiente. Dobbiamo aggiungere un “occhio smart”. Per rilevare ad esempio la luce dalle galassie giovani, si devono isolare le linee caratteristiche dell’atomo di idrogeno e questo richiede uno spettrografo che può scomporre la luce nelle sue lunghezze d’onda per l’ulteriore analisi.
Combinazioni tecnologiche innovative
Questa operazione richiede conoscenze avanzate della posizione dell’oggetto. È questo il motivo per cui il CRAL ha sviluppato il concetto di spettrografo a campo integrale o spettrografo 3D, allo stesso tempo un visore e uno spettrografo. Quando si accetta un bando di gara per tale strumento da parte di organizzazioni di ricerca internazionali, il reparto di strumenti del CRAL ha l’incarico di costruirne una parte, in stretta collaborazione con il team di ricerca che definisce le proprie esigenze.Florence Laurent, progettista ottico e capo del team di strumentazione CRAL, spiega: “In astronomia, la luce raccolta dal telescopio passa attraverso gli strati dell’atmosfera e i fotoni recuperati sono disturbati. Alcuni anni fa le immagini ricevute erano naturalmente degradate e non era necessario che gli strumenti fossero molto precisi. Dagli anni 2000, i sistemi ottici adattativi correggono i disturbi atmosferici in tempo reale e permettono di ottenere immagini molto più precise con una risoluzione migliore. Gli ingegneri hanno dovuto così creare strumenti sempre più allineati. Questo allineamento richiede strumenti di misura efficienti e adeguati.
“Il nostro primo strumento di misura è stato un braccio di misura ROMER Sigma, seguito da un sensore 3D TESA nel 2008 durante il progetto MUSE1. Il braccio è stato usato per allineare gli oggetti tra loro e misurare sistemi piccoli. Il sensore TESA era dedicato alla verifica di supporti meccanici, lavorati con una precisione di 10 micron. Ma i vincoli di volume dello strumento assemblato completo (lo strumento più grande mai installato su di un telescopio) richiedeva una macchina che misurasse in una scala maggiore.”
Scala più ampia con il Laser Tracker
“I nostri colleghi all’Istituto di Astrofisica di Göttingen ci hanno prestato un laser tracker Hexagon. Questo ci ha permesso di usare un Leica Absolute Tracker sia alla CRAL sia sul sito operativo in Cile, sulla piattaforma del telescopio, per garantire la posizione dello strumento rispetto al telescopio”, ricorda la Laurent.Attualmente il CRAL lavora al progetto 4MOST come parte di un consorzio di 13 istituti europei guidato dall’Istituto Leibniz di Astrofisica di Potsdam in Germania. Lo strumento 4MOST è uno spettrografo a campo ampio multifibra per il telescopio VISTA dell’Osservatorio Europeo Astrale (ESO) nel Deserto di Atacama in Cile.
Lo spettrografo scompone la luce che arriva da una stella o galassia in lunghezze d’onda e sarà in grado di rilevare le sottostrutture chimiche e cinematiche nell’alone stellare, il rigonfiamento e i dischi sottili e spessi nella Via Lattea che permettono di dipanare le origini della galassia. Il progetto 4MOST è attualmente in fase di produzione e l’inizio delle attività scientifiche è previsto per il 2022.
Hexagon’s instruments and solutions offer us a complete range that is essential in our research.
Dopo aver ricevuto le specifiche scientifiche, il CRAL che ha l’incarico di eseguire la costruzione dei due spettrografi a bassa risoluzione dello strumento 4MOST, dedicherà inizialmente due anni a studi preliminari dello strumento (disegni ottici, meccanici, elettronici) per valutare il concetto. Saranno poi necessari altri due anni per completare i progetti finali. Ottenuta l’approvazione, il team farà costruire l’ottica e la meccanica. Tutte le parti ordinate saranno centralizzate nel sito di Lione per il montaggio e l’allineamento. La posizione di uno specchio rispetto alle interfacce è fondamentale. Questo allineamento dev’essere estremamente preciso per alcuni elementi, cioè attorno ai 10 micron.
L’alta precisione diventa semplice
“Una soluzione di misura completa che unisce un braccio di misura a un laser tracker era ideale e offriva la necessaria flessibilità di cui avevamo e avremo bisogno. L’acquisizione di questo sistema fu possibile grazie al finanziamento del LABEX Lyon Institute of Origins (LIO)2. Abbiamo sostituito il nostro vecchio braccio di misura ormai obsoleto con un nuovo Absolute Arm e abbiamo acquistato anche un Leica Absolute Tracker AT403.“I nostri dispositivi di misura erano immediatamente operativi e ci hanno permesso di iniziare rapidamente le nostre attività. Le tolleranze desiderate facevano parte delle specifiche e la precisione di 11,5 micron dell’Absolute Arm Serie 85 era esattamente quello che ci serviva. L’ergonomia del nuovo braccio lo rende molto piacevole da usare: è molto bilanciato e offre un’ottima accessibilità ai nostri target. Anche i collegamenti USB e WiFi sono molto pratici.
“L’importazione visiva dei dati CAD con il software SpatialAnalyzer è un grande vantaggio e offre report chiari, rapidi e semplici. Anche le molte opzioni possibili durante la messa a punto del nuovo braccio sono state molto utili. Cinque dipendenti hanno ricevuto la formazione in due sessioni e questo ci ha permesso di usare il braccio tra l’una e l’altra e di ottenere risposte concrete e specifiche alle nostre domande.”
Problemi moderni richiedono soluzioni moderne
Il team tecnico del CRAL lavora anche allo studio dello strumento HARMONI nell’ambito del progetto Extremely Large Telescope (ELT)3 . Questo strumento ha la capacità di vedere nell’infrarosso dove “tutto irradia”. Per evitare di vedere solo il riflesso della meccanica e dell’ottica dello strumento quando si esplorano le galassie, la temperatura dello strumento dev’essere abbassata a 130 Kelvin - meno 143 gradi centigradi. Questo abbassamento della temperatura dev’essere effettuato in molte fasi, la prima delle quali è quella di creare il vuoto (per evitare il gelo). Lo strumento dev’essere quindi posto in un criostato e questo rende le misure tecnicamente molto complesse con gli strumenti di misura tradizionali (perpendicolarità del laser, parametro del coefficiente per compensare la deformazione dovuta a finestra, ecc.).Per evitare questi problemi con gli strumenti di metrologia tradizionali, il CRAL ha optato per la fotogrammetria sviluppando un periscopio speciale. Questo sviluppo viene effettuato con l’impiego di un sistema della DPA Series che è stato personalizzato dal team tecnico.
“Ogni progetto ci permette di migliorare i nostri processi di misura e far funzionare le nostre macchine in modo più efficiente. La portabilità del laser tracker ci permette ad esempio di fare dei controlli direttamente presso i nostri fornitori. Il connubio di Absolute Arm e laser tracker sarà operativo molto presto e ci offrirà un vero risparmio di tempo nell’installazione ad esempio dei riferimenti del braccio.” conclude Florence Laurent.
1 Il MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer) è uno spettrografo 3D a campo ampio di seconda generazione che opera nello spettro di lunghezze d'onda visibili, sviluppato per il Very Large Telescope (VLT) dello European Southern Observatory. Il MUSE è stato progettato per esplorare lo spazio in tre dimensioni (localizzazione e distanza) e rilevare le galassie più giovani. È stato usato per la prima volta sul VLT il 31 gennaio 2014.
2 Gli autori sono grati al LABEX Institut Lyonnais des Origines (ANR-10-LABX-0066) dell'Università di Lione per il supporto economico nell'ambito del programma "Investissements d'Avenir" (ANR-11-IDEX-0007) del governo francese, gestito dalla National Research Agency (ANR).
3 L'ELT, il telescopio gigante europeo, è un telescopio terrestre della serie di tre telescopi giganti in costruzione che dev'essere inaugurata nel 2025. Costruito dall'ESO (Osservatorio Europeo Australe), permetterà importanti progressi nel campo dell'astronomia grazie al suo specchio primario che vanta un diametro di 39 metri.
