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Un prototipo di spettrografo alla prova dell’eclissi
È stato testato a lungo in laboratorio, poi osservando la Luna nelle ultime settimane di luglio. Infine è stato impacchettato, caricato su un furgone e trasportato dall’Italia, attraverso la Francia, fino alla Sierra de Javalambre, in Spagna. Qui, la prova finale: osservare la corona solare durante l’eclissi totale del 12 agosto.
Il team scientifico con lo strumento CISS allestito per le osservazioni dell’eclissi all’Observatorio Astrofisico de Javalambre, in Spagna. Da sinistra: Federico Landini (Inaf Torino), Fabio Frassetto (Cnr Padova), Lapo Casetti (Università di Firenze), Valeria Caracci (Inaf Torino).
Parliamo dello strumento Ciss (Circular Slit Spectrograph), un prototipo ideato da Federico Landini dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e finanziato con un large grant Inaf nel 2024. Si tratta di un concetto ottico innovativo, per realizzare spettri di sorgenti astronomiche utilizzando una fenditura circolare a raggio variabile, al posto della classica fenditura lineare – quella degli esperimenti di fisica classica che conosciamo dai libri di scuola – e un reticolo a righe anch’esse circolari e concentriche.
Il progetto, una collaborazione tra Inaf di Torino, Cnr – Istituto di fotonica e nanotecnologie di Padova, Università di Firenze e Inaf di Napoli, prevede lo sviluppo di un prototipo di tecnologia testata e convalidata in laboratorio – quello che in gergo si chiama technology readiness level 4. Una volta validato, lo strumento, che adesso è predisposto per le osservazioni in luce visibile, potrà essere esteso anche all’ultravioletto, in vista di future missioni spaziali dedicate allo studio del Sole. Il concetto nasce infatti dalla fisica solare, ma può essere applicato a qualsiasi altra sorgente a simmetria circolare – in astrofisica, non mancano.
Federico Landini, tecnologo all’Inaf – Osservatorio Astrofisico di Torino
Per scoprire i dettagli di questo ingegnoso esperimento, abbiamo intervistato Federico Landini, che al momento si trova presso l’Observatorio Astrofisico de Javalambre, nella provincia di Teruel, una delle aree meno densamente popolate della Spagna, con cieli tra i più bui d’Europa. Insieme ad altri componenti del team scientifico, è in attesa che la meccanica celeste faccia il suo corso e, con un pizzico di fortuna, regali alla spedizione una splendida eclissi di Sole.
Dottor Landini, perché progettare e costruire un nuovo concetto di spettrografo? Non andavano bene quelli già esistenti?
«Ciss è un prototipo per studiare lo spettro della corona solare e anche la dinamica della corona, che si sviluppa su tempi scala dell’ordine di minuti, ore. Con la fenditura circolare a una certa distanza dal centro del Sole, si ottiene uno spettro completo della corona, poi cambiando il raggio della fenditura si vanno a mappare regioni a distanza diversa dal centro del Sole. Questo riduce di almeno almeno un ordine di grandezza il tempo scala necessario per ottenere uno spettro completo della corona.
L’unico spettrometro ultravioletto che ha funzionato nello spazio finora e ha dato risultati importanti è stato l’UltraViolet Coronagraph Spectrometer (Uvcs), operativo sulla missione spaziale Soho tra il 1995 e il 2009. Per mappare uno spettro della corona impiegava una giornata, perché si basava sul concetto classico di fenditura lineare che veniva spostata sulla corona in modo da misurare lo spettro di regioni a distanza diversa dal centro del Sole: poi veniva effettuata una rotazione dell’intero strumento per andare a coprire angoli diversi, e questo richiede tanto tempo».
A che cosa serve la spettroscopia solare?
«La spettroscopia della corona solare ci consente di studiare la composizione chimica della corona, da cui possiamo dedurre le abbondanze degli elementi. Una volta note quelle, è possibile andare a comprendere meglio la fisica dell’intera corona e dei fenomeni che avvengono in questa regione. La corona è la sede di tutte le esplosioni e le manifestazioni eruttive che hanno un’influenza sull’intera eliosfera, e possono influenzare da vicino anche la vita sulla Terra».
È necessario testare lo strumento durante un’eclissi di Sole?
«Dopo la validazione in laboratorio, l’ideale è testare lo strumento sul campo, osservando la sorgente astronomica di interesse, cioè la corona solare. Da terra, la corona si può osservare solo durante un’eclissi, quando la fotosfera del Sole è occultata dalla Luna, perché è molto tenue: sei ordini di grandezza più debole rispetto alla fotosfera nelle lunghezze d’onda del visibile. Si potrebbe fare anche con un coronografo, lo strumento che simula un’eclissi di Sole, ma in quel caso avremmo dovuto costruire due strumenti, il nostro prototipo più un coronografo, con gli stessi fondi. È chiaramente più facile sfruttare un’eclissi di Sole, visto che se ne verifica una in Europa proprio durante l’arco del progetto».
La luce dispersa sul piano focale dello strumento Ciss. Crediti: F. Landini (Inaf)
Com’è nata l’idea di Ciss?
«L’idea è nata quando ho capito come funziona, veramente, uno spettrometro. Partiamo da uno spettrometro lineare: ha una fenditura attraverso cui passa un pennello di luce che arriva su un reticolo lineare a righe parallele. Queste, a loro volta, disperdono l’informazione che arriva dalla fenditura su un piano. Qui, per ogni punto di quella fenditura, abbiamo una certa scomposizione della luce nelle varie lunghezze d’onda. Quando ho capito che la fenditura serve a selezionare una porzione mono-dimensionale dell’oggetto di osservazione, mi sono detto: ma perché per la corona solare non si utilizza una fenditura circolare, in modo da coprirla tutta? Riduce comunque le dimensioni a una sola e si ha uno spettro radiale anziché uno spettro lineare».
Può spiegarci meglio?
«Supponiamo di avere una fenditura circolare, anziché lineare, e di ingrandire una piccola porzione di questa fenditura fino a che non diventa lineare: il funzionamento è lo stesso. Da quel pezzettino di fenditura lineare che però fa parte della fenditura circolare arriva un pennellino di luce su una porzione lineare del reticolo circolare. Questa radiazione viene dispersa perpendicolarmente alla direzione del reticolo e quindi radialmente, perché quella porzione lineare del reticolo circolare è tanto ingrandita. Quindi sul piano focale avremo tanti cerchi concentrici, ognuno corrispondente a una riga spettrale».
Test dello strumento Ciss (Circular slit spectroscopy) sulla terrazza dell’Inaf – Osservatorio astrofisico di Arcetri, a Firenze.
Ci può raccontare i primi passi del progetto?
«C’è stato un primo prototipo di cartone che ho realizzato quattro anni fa con una scatola di risulta, in cui avevo ricavato la fenditura circolare, usando un CD come reticolo. Il concetto funzionava, così abbiamo fatto domanda ai bandi Inaf per la ricerca fondamentale, il progetto è stato finanziato e l’abbiamo finalmente realizzato. Lo strumento è stato assemblato nei laboratori Luxor del Cnr di Padova, è stato allineato ed è stata ottenuta la prima luce a giugno. Quindi lo strumento è già stato validato: funziona, produce spettri radiali sul piano focale come ci aspettavamo. È stato anche calibrato, identificando a quale lunghezza d’onda corrispondono i vari cerchi concentrici sul piano focale. A fine luglio, abbiamo fatto una serie di test di puntamento all’Osservatorio di Arcetri con la Luna, perché la Luna piena ha un’irradianza che è comparabile a quella della corona solare».
Perché avete scelto proprio questo luogo per osservare l’eclissi?
«L’Observatorio Astrofisico de Javalambre è il candidato ideale perché, oltre a trovarsi nella striscia di totalità, è a duemila metri di altezza sul livello del mare, il che riduce un po’ la probabilità di avere copertura del cielo. Inoltre facilita un po’ tutta la logistica, perché ci consente di avere accesso alle facility dell’osservatorio, di avere un piano in cui posizionare lo strumento, di avere accesso alla corrente elettrica senza doversi portare generatori. E ha una visuale aperta a occidente, dove tramonta il sole: quindi è un luogo che mette insieme diversi vantaggi».
Com’è stato il viaggio?
«Siamo partiti venerdì scorso con il furgone da Firenze, abbiamo fatto una prima tappa a metà della costa francese, poi ci siamo fermati un’altra notte a Valencia e domenica mattina siamo arrivati a Javalambre».
Adesso, in attesa della prova del nove, quali sono le attività che vi tengono impegnati?
«Siccome la zona è un po’ ventosa, abbiamo costruito un box sul piazzale dell’osservatorio, con il permesso del direttore, per proteggere dal vento lo strumento. In queste notti siamo impegnati con il modello di puntamento, ci stiamo preparando osservando alcune stelle note, testando qualche qualche sequenza osservativa. E poi si spera che non sia nuvoloso il giorno dell’eclissi!».
E il futuro?
«Il prototipo al momento è stato realizzato nelle lunghezze d’onda del visibile, perché è più facile da assemblare in laboratorio, non c’è bisogno di andare in vuoto. L’idea è, una volta validato il principio, rifare un altro prototipo, però dedicato all’ultravioletto. La corona solare, per via della sua temperatura di milioni di gradi, ha uno spettro di emissione particolarmente importante nell’ultravioletto. Questo ci permetterà di proporre una futura missione spaziale con uno strumento di questo tipo a bordo: mi piacerebbe iniziare con una missione piccola, per esempio un razzo sonda, per dimostrare che tutto funziona, e poi passare a una missione più importante, come una small o medium class dell’Agenzia spaziale europea».
Lorenzo Cocola dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr di Padova con lo strumento Ciss, integrato nei laboratori Luxor. Crediti: F. Landini (Inaf)
Metterete in campo lo strumento anche durante la prossima eclissi di Sole, quella del 2 agosto 2027?
«L’eclissi del 2027 avviene allo zenit e dura oltre sei minuti, quindi è una bella eclissi, una delle più lunghe del secolo. Peraltro interessa zone in cui c’è pochissima nuvolosità, nel Nord Africa. Sono zone con tanto sole, anche se magari logisticamente sarà più difficile organizzare una spedizione. Se riusciremo a ottenere dei fondi, chiaramente proveremo lo strumento anche nel 2027».
Guarda l’intervista a Chiara Casini e Valeria Caracci sul canale Youtube di Media Inaf:
Per saperne di più:
- Leggi su Proceedings of the Spie l’articolo “Design of a circular slit spectrometer” di Federico Landini, Fabio Frassetto, Valeria Caracci, Lorenzo Cocola, Lucia Abbo, Vincenzo Andretta, Chiara Casini, Alberto Riva, Silvano Fineschi, Maurizio Pancrazzi, Marco Romoli, Paola Zuppella
Per seguire i team scientifici dell’Inaf e le inviate di Media Inaf in Spagna per l’eclissi:
