(AGENPARL) - Roma, 29 Maggio 2024 - (AGENPARL) – mer 29 maggio 2024 29 maggio 2024
FATE: PREVISIONI DELLA TURBOLENZA OTTICA PER SPINGERE IL VERY LARGE TELESCOPE AL MASSIMO DELLE SUE POTENZIALITÀ
Per ottenere immagini astronomiche sempre più accurate non basta solo aumentare le dimensioni dei nuovi telescopi o dotarli di strumentazione allo stato dell’arte. Le prestazioni della maggior parte degli strumenti che osservano il cielo, soprattutto nella luce visibile e nell’infrarosso, dipendono fortemente dalle condizioni meteorologiche in atto durante le operazioni, e in particolare dalla turbolenza dell’atmosfera sopra di essi.  Conoscere con sufficiente anticipo tali condizioni diventa quindi sempre più importante e decisivo per ottimizzare l’utilizzo dei migliori telescopi al mondo, come l’attuale Very Large Telescope (VLT) e il futuro Extremely Large Telescope (ELT), sulle Ande cilene, entrambi dell’European Southern Observatory (ESO). È cruciale poter sfruttare al massimo le capacità di questi gioielli della tecnologia compatibilmente con le condizioni atmosferiche massimizzando il ritorno scientifico prodotto.  Il costo tipico di una notte di osservazioni con il VLT si aggira infatti attorno ai 100mila euro: una cifra che spiega da sé quanto sia critico sfruttare al meglio le condizioni ideali dell’atmosfera. Con questi obiettivi l’Istituto Nazionale di Astrofisica ha vinto un bando internazionale di ESO finalizzato a produrre previsioni della turbolenza ottica (TO) e dei principali parametri atmosferici per ottimizzare le osservazioni astronomiche del VLT e di tutti gli strumenti di cui è equipaggiato. Il progetto selezionato, denominato FATE (Forecasting Atmosphere and Turbulence for ESO sites) vede la collaborazione del consorzio CNR/Regione Toscana LaMMA (Laboratorio di Monitoraggio e Modellistica Ambientale per lo sviluppo sostenibile), che fornisce servizi meteo anche per la Protezione Civile italiana.
Il progetto FATE è iniziato nel novembre 2022 e nel periodo settembre – dicembre 2023 è entrato in fase di ‘commissioning’, con i test di verifica delle specifiche tecniche e di funzionamento. Una volta terminato, si entrerà nella fase operativa in cui ESO potrà ottimizzare strategie osservative per il VLT e iniziare a pianificare quelle di ELT, la cui entrata in funzione è attualmente prevista per il 2028. 
“Il commissioning è durato 4 mesi e aveva come scopo quello di verificare la robustezza del sistema di previsione e il rispetto delle specifiche tecniche richieste da ESO, ovvero dell’accuratezza delle previsioni dei distinti parametri a scale temporali differenti” dice Elena Masciadri, ricercatrice INAF e responsabile scientifica del progetto FATE. “Le fluttuazioni spazio-temporali della turbolenza ottica hanno scale tipiche molto più piccole di quelle dei classici parametri atmosferici e pertanto la previsione della turbolenza ottica è un obiettivo molto più difficile da raggiungere. Le specifiche tecniche di ESO sono inoltre abbastanza stringenti come è naturale aspettarsi, considerando che il VLT è senza dubbio uno dei telescopi di maggior prestigio al mondo ma anche uno dei più complessi, essendo costituito da ben quattro telescopi da 8,2 m di diametro più quattro telescopi ausiliari da 1.8 metri, dotati di una grande varietà di strumentazione e quindi di possibilità osservative. Possiamo dire di essere soddisfatti del commissioning – prosegue Masciadri – in quanto ci ha permesso di dimostrare la robustezza e l’affidabilità del sistema e allo stesso tempo di meglio definire i margini di miglioramento dell’accuratezza delle previsioni dove ci concentreremo nella seconda fase del progetto”.
I moderni telescopi sono ormai dotati di strumentazione intercambiabile che ha specifiche condizioni di utilizzo, che dipende anche dalle condizioni atmosferiche in essere durante le osservazioni. Alcuni di questi strumenti sono poco sensibili, ad esempio, ad una elevata concentrazione di umidità nell’aria, altri invece ne vengono quasi completamente “accecati”. Per alcune tipologie di programmi scientifici è molto importante raccogliere dati in presenza di poca turbolenza atmosferica, ad esempio in tutte le osservazioni che necessitano un elevato livello di dettaglio in piccole porzioni di cielo che sfruttano i benefici dell’ottica adattiva, come nella ricerca di esopianeti. In generale la conoscenza della turbolenza ottica è fondamentale in tutte le osservazioni supportate da ottica adattiva (OA). L’ELT sarà una facility supportata al 100% dall’OA quindi la previsione della TO è certamente cruciale per l’astronomia del prossimo futuro.
Oltre a prevedere una serie di parametri atmosferici sopra il sito osservativo del VLT come temperatura, intensità e direzione del vento, umidità relativa, vapore acqueo e copertura nuvolosa, il progetto FATE si occuperà nelle ore notturne anche della previsione di parametri cosiddetti astroclimatici, tra cui il cosiddetto seeing, un parametro che indica il livello di perturbazione dell’atmosfera nella qualità delle immagini astronomiche. Ma cosa è la turbolenza ottica? Le fluttuazioni di temperatura nell’aria generano fluttuazioni dell’indice di rifrazione che a sua volta perturba il fronte d’onda della luce proveniente dagli oggetti celesti osservati. Tale fronte d’onda risulta così ‘imperfetto’ e l’immagine raccolta dal telescopio perde l’accuratezza dei dettagli, limitando così le potenzialità della strumentazione impiegata. Le tecniche di ottica adattiva hanno l’obiettivo di correggere queste perturbazioni, ma le loro prestazioni dipendono dallo stato della turbolenza: per questo è fondamentale poter disporre di una previsione accurata della turbolenza ottica. 
Un sistema di previsione come quello previsto nel progetto FATE si basa su modelli idrodinamici che si definiscono a “mesoscala”: il modello viene applicato su una regione limitata della Terra, raggiungendo una più alta risoluzione rispetto a quello che potrebbe fornire una previsione su scala globale. Si tratta di una previsione che viene realizzata usando come dati di inizializzazione quelli prodotti da modelli a circolazione generale, ovvero applicati all’intero globo terrestre dallo European Centre for Medium Range Weather Forecast (ECMWF), il centro che agisce per conto dell’intera comunità europea.