La ricerca tecnologica nell’Inaf è fortemente multidisciplinare e diversificata. La continua evoluzione nel campo dell’astronomia osservativa determina la necessità di costruire strumenti hardware e software sempre più complessi e di sviluppare tecnologie e materiali innovativi. Così come fanno le complesse simulazioni numeriche necessarie in fase di progettazione, analisi e interpretazioni dei risultati osservati.
L’Inaf sviluppa progetti di ricerca di base e applicata nel settore delle tecnologie astronomiche, sia nei propri laboratori sia in collaborazione con l’industria, le università e altri enti di ricerca. Poiché le infrastrutture astrofisiche in via di realizzazione sono sempre più onerose e sofisticate, si costituiscono consorzi e organizzazioni che raccolgono il contributo dei tecnologi, ricercatori e tecnici a livello internazionale. Alcuni esempi di grandi infrastrutture internazionali con importante partecipazione dell’Inaf sono i telescopi Eso (dagli attuali Vlt, Ntt e Vst al futuro Elt), gli osservatori Ska e Cta (con il precursore Astri Mini-Array) per le osservazioni da terra e le missioni spaziali internazionali Cheops, Athena, Gaia, Euclid, eXTP, Plato, Ariel, Juice e Solar Orbiter.
Numerosi progetti hanno risvolti applicativi diretti anche in altri settori scientifici, incluse ricadute di interesse per la società civile, al punto che l’Istituto ne include la promozione, la diffusione e la valorizzazione tra i propri scopi statutari. Per questo l’Inaf supporta la creazione di spin-off e il trasferimento tecnologico, in collaborazione con l’industria (dalle piccole e medie imprese ai grandi asset nazionali), anche in linea con alcuni obiettivi del Pnrr.
Un esempio evidente e ancora attuale è lo studio sperimentale multidisciplinare effettuato da un gruppo di ricercatori dell’Inaf, dell’Università statale di Milano, dell’Istituto nazionale dei tumori di Milano e dell’Irccs Fondazione Don Gnocchi, che ha permesso di confermare l’ottima efficacia della luce ultravioletta a lunghezza d’onda corta – o radiazione Uv-C – nel neutralizzare il coronavirus Sars-Cov-2.
L’innovazione nei telescopi
I telescopi e, più in generale, l’insieme dei dispositivi che consentono di raccogliere e misurare la radiazione, sono elementi essenziali dell’astrofisica sperimentale osservativa. La tecnologia deve necessariamente essere sempre all’avanguardia, per poter rispondere alle domande, sempre più pressanti e capillari, poste dall’analisi dei risultati ottenuti con gli strumenti delle generazioni precedenti. La progettazione e la costruzione di un telescopio o di uno strumento, indipendentemente dall’utilizzo (da terra o dallo spazio) o dalla banda dello spettro elettromagnetico, richiedono il possesso di numerose e approfondite competenze tecnologiche. Questo ha portato, nel corso degli anni, allo sviluppo di know-how e tecnologie legate, per esempio, ai rivelatori, ai ricevitori, all’ottica, alla meccanica, all’elettronica, alla metrologia, al software di controllo, alla criogenia.
Insieme all’industria italiana, l’Inaf ha una lunga storia nello sviluppo di ottiche attive – sistemi che modificano attivamente la forma dei telescopi per contrastare eventuali deformazioni alle immagini – e mantiene inalterata una posizione di leadership mondiale nel campo delle ottiche adattive – sistemi che agiscono sulla forma dei telescopi per compensare gli effetti degradanti della turbolenza atmosferica sulle osservazioni. Grazie alla partecipazione italiana al Large Binocular Telescope (Lbt), l’Inaf dispone da molti anni di un laboratorio avanzato per sviluppare tecnologie innovative per l’ottica adattiva. Gran parte della comunità è riunita in Adoni (Laboratorio Nazionale di Ottica Adattiva), che promuove il coordinamento delle attività dei gruppi afferenti, sostenendo la R&D e favorendo il trasferimento tecnologico verso l’industria. Adoni ha permesso di consolidare la leadership dell’ente nell’ottica adattiva, con risultati che spaziano dagli specchi deformabili di grandi dimensioni alla previsione e alla misura della turbolenza atmosferica, fino alle molteplici tecniche di correzione delle aberrazioni. Queste tecnologie trovano applicazione anche in settori non convenzionali, come lo sviluppo sperimentale di sistemi laser per Optical Satellite Communications a larga banda, per i rivelatori di onde gravitazionali e infine in ambito medico-industriale, in collaborazione con alcune aziende italiane.
Un istituto protagonista in molti campi
L’Inaf riveste un ruolo chiave nei maggiori progetti di ottica adattiva in fase di sviluppo, come la nuova generazione di strumenti per Lbt (Soul, Shark-Vis/Nir), per il Vlt (Eris e Mavis), i sensori di fronte d’onda per il Giant Magellan Telescope e una serie di elementi e strumenti per il futuro Elt (lo specchio adattivo M4, la fotocamera Micado, il modulo post-focale di ottica adattiva Morfeo e lo spettrografo Andes).
Altro settore in cui l’Inaf vanta un ruolo importante è quello della metrologia e della simulazione e misura delle deformazioni strutturali sulle grandi antenne per la radioastronomia, con competenze in termini di progettazione, installazione e gestione. Questo grazie alle superfici attive realizzate per i tre radiotelescopi italiani che si completeranno nel prossimo trienno: il radiotelescopio di Medicina, quello di Noto e il Sardinia Radio Telescope.
Un ulteriore campo di ricerca in cui l’Inaf è protagonista è la progettazione, sviluppo e verifica di soluzioni ottico-meccaniche innovative nell’ottico e vicino infrarosso per telescopi spaziali, fondamentali ad esempio per le future missioni Esa dedicate a osservazioni fotometriche/spettroscopiche degli esopianeti (Plato) e delle loro atmosfere (Ariel), nonché a misure astrometriche con precisione angolare senza precedenti.
L’istituto detiene una posizione di primo piano anche per quanto riguarda progettazione, sviluppo, test e procurement di sistemi ottici innovativi per coronografi – telescopi in cui il percorso della luce è ostruito da un piccolo elemento, sviluppati per osservare la corona del Sole – sia per applicazioni spaziali, come per le missioni Esa Solar Orbiter e Proba-3, e di coronografi compatti per missioni a propulsione fotonica solare. Parallelamente, l’Inaf offre anche soluzioni per l’ideazione e realizzazione di ottiche e di dispositivi di rilevazione innovativi per nano-satelliti e cubesat. Un esempio è il progetto Hermes-Sp, selezionato dalla Commissione Europea e guidato da Inaf, che prevede una costellazione di nano-satelliti equipaggiati con rivelatori X ad alta tecnologia di piccole dimensioni, dedicati all’osservazione di gamma-ray burst (Grb).
Il futuro nei telescopi X
Da tempo l’Inaf ha acquisito un ruolo di eccellenza nella ricerca, sviluppo e produzione di ottiche per telescopi spaziali X, che si basano sul principio della incidenza radente. A causa dell’effetto fotoelettrico, infatti, è molto difficile riflettere e mettere a fuoco i raggi X se non con elementi riflettenti molto inclinati, quasi paralleli al cammino dei fotoni. Queste attività, in sinergia anche con le industrie nazionali, hanno portato l’istituto a coprire ruoli di responsabilità primaria nel design e nello sviluppo di telescopi X, ad esempio per future missioni come la sino-europea eXtp (enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission) e Lynx della Nasa, tramite il progetto Asi Tao-X (Tecnologie Avanzate per Ottiche in raggi X). Da un lato tutto ciò si fonda su tecniche consolidate – come la replica in nichel elettroformato di specchi monolitici – utilizzate con successo per i telescopi per raggi X di Beppo-Sax, Swift/Jet-X, Xmm-Newton ed eRosita; dall’altro sono in corso progetti R&D per la messa a punto di soluzioni innovative, mirate al miglioramento della risoluzione angolare, dell’efficienza e della leggerezza degli specchi e della possibilità di implementare telescopi per raggi X con diametro fino a qualche metro. Questo campo di attività ha ricevuto specifici sostegni alla ricerca da parte di Asi ed Esa e collaborazioni dirette con la Nasa con importanti ritorni scientifici diretti (tra cui, ad esempio, la missione Swift), oltre a rilevanti e significative applicazioni industriali. Al momento, l’Inaf è impegnato nel supporto alla realizzazione delle ottiche per la missione Athena (missione Esa di classe Large), in particolare come responsabile di specifici contratti Esa per le simulazioni e l’implementazione di specifiche facility di calibrazione.
L’osservazione di nuova generazione
Un impegno importante è costituito dalla realizzazione di nuovi rivelatori e di dispositivi e soluzioni correlate, in progetti che spaziano dalla banda radio fino alle alte energie. Essi, nei prossimi anni, costituiranno il cuore della strumentazione osservativa di nuova generazione e consentiranno l’aggiornamento degli strumenti esistenti. Ne sono esempio il design end-to-end di tutti i sottosistemi riceventi di Ska-Lfaa, lo sviluppo di ricevitori per Alma, la realizzazione di ricevitori criogenici innovativi per i radiotelescopi italiani (per portarli a frequenze di osservazione più alte, nonché dotarli di banda larga e di un maggior numero di sensori). Esempi nel settore delle alte energie sono lo sviluppo di rivelatori in silicio per raggi X, che ha abilitato la partecipazione dell’Inaf con una posizione di leadership alle missioni eXtp ed Hermes, o lo sviluppo di sistemi all’avanguardia legati allo strumento X-Ifu della missione Athena, quali i rivelatori criogenici per la riduzione del rumore di fondo e i filtri ultra-sottili di grande area. L’Inaf ha inoltre sviluppato tecnologie per la polarimetria X, che hanno permesso di ottenere l’attuale ruolo chiave nella progettazione e realizzazione di strumenti per missioni spaziali quali eXtp e il telescopio spaziale Nasa Ixpe, quest’ultimo lanciato nel dicembre 2021. Sempre nell’ambito dei dispositivi per missioni spaziali, l’Inaf partecipa con punte di eccellenza alla realizzazione di strumentazione per la planetologia, con osservazioni da remoto (sonde orbitanti attorno a pianeti, comete e asteroidi) e in situ (strumentazione per l’analisi diretta sulla superficie del pianeta), quali spettrometri e camere per sonde planetarie, di cui detiene la leadership in numerose missioni.
Elettronica, ingegneria e laboratori
Relativamente all’esplorazione lunare, sono in corso molte collaborazioni in progetti Nasa ed Esa. Da sottolineare un’innovativa lente panoramica bifocale (Pancam), progettata e brevettata da ricercatori dell’Inaf, che è stata recentemente oggetto di uno studio Esa per l’esplorazione dei lava tubes lunari – grotte formatisi a seguito di eruzioni di flussi di lava basaltica sulla Luna – e il progetto Melody, che rianalizzerà alcuni set di dati pubblici della superficie e del sottosuolo lunari mediante nuove tecniche di analisi dati e nuove misure di laboratorio.
Nel campo della progettazione elettronica, il personale dell’ente sviluppa soluzioni estremamente performanti e robuste, impiegate in diverse tipologie di dispositivi. L’elettronica relativa ai rivelatori o ai sistemi di acquisizione dati risponde a requisiti molto stringenti in termini di rumore, velocità e accuratezza; ne sono esempi l’elettronica di front-end e back-end per rivelatori in silicio per alte energie o la progettazione e realizzazione di back-end per i radiotelescopi (da quelli nazionali a Skao e ai suoi precursori). L’Inaf sviluppa anche l’elettronica di controllo di strumenti o infrastrutture osservative, come le unità di controllo di strumento (Icu) per missioni spaziali come Euclid, Plato, Ariel e Athena, i sistemi di automazione per la strumentazione di Elt e Vlt, il controllo per il pointing e il tracking di telescopi.
Fondamentale è anche il lavoro di progettazione e realizzazione di software di controllo, del firmware, e del software di analisi on-board dei dati grezzi, indispensabili per garantire che le modalità osservative rispondano al progredire delle necessità dei ricercatori e che gli strumenti operino con efficienza, acquisendo dati di qualità.
Trasversalmente a tutte le diverse fasi dello sviluppo della strumentazione, è richiesto un importante contributo in termini di ingegnerizzazione. L’Inaf mette in campo le proprie competenze, ad esempio nella progettazione termo-meccanica di sistemi che richiedono elevata stabilità e/o devono affrontare condizioni estreme (temperature criogeniche, sollecitazioni da lancio, ecc.). Il know-how che i ricercatori e tecnologi possiedono negli ambiti del System Engineering e della Product Assurance è fondamentale per la partecipazione alla realizzazione di grandi infrastrutture da terra e di missioni spaziali, in quanto consente la corretta gestione dell’interazione tra i diversi sistemi e assicura la qualità della strumentazione prodotta.
Crediti: INAF/ LEONARDO/ R. Bonuccell
Elementi essenziali nei processi di sperimentazione e sviluppo sono i laboratori. Oltre a realizzare e impiegare laboratori per l’esecuzione di esperimenti astrofisici (in particolare per riprodurre le condizioni estreme presenti nello spazio o su altri pianeti), l’Inaf si è dotato di laboratori che consentono di affrontare tutte le fasi dello sviluppo tecnologico, dallo studio teorico/simulativo alla realizzazione e test di prototipi, contribuendo anche ai successivi passaggi essenziali per la messa in opera della strumentazione (assemblaggio, integrazione, calibrazione e qualifica).
Il lavoro di sviluppo non termina con l’entrata in funzione degli strumenti, ma comprende le attività relative alla gestione dei dati raccolti. La progettazione e realizzazione di un Science Data Segment ha assunto un livello di complessità paragonabile allo sviluppo e alla produzione di uno strumento hardware quali quelli citati precedentemente. Oggi l’Inaf si è affermato come soggetto di eccellenza, conquistando in alcuni casi la responsabilità primaria dell’ideazione e dello sviluppo di tutto il segmento scientifico sia per missioni spaziali sia per infrastrutture terrestri. Analogamente, si è affermato nella gestione di strumenti in termini di programmazione ed effettuazione delle osservazioni.
Dati: un prezioso tesoro
La ventennale esperienza acquisita da Inaf, con la partecipazione allo sviluppo di missioni spaziali (ricordiamo Planck, Agile, Gaia ed Euclid, Cheops e Plato), anche in importanti posizioni di leadership, ha portato all’acquisizione di competenze di primo livello per la progettazione, la realizzazione, lo sviluppo e l’implementazione di segmenti di terra scientifici. Oltre alla scelta di soluzioni hardware specifiche, il procurement e il mantenimento delle risorse di calcolo e storage, la realizzazione di centri di processamento spazia dalla messa a punto di software di controllo e data quality fino all’analisi dei dati scientifici in tempo reale, passando per il monitoraggio e la calibrazione della risposta strumentale durante le varie fasi (assemblaggio, integrazione e test, commissioning e operazioni). Le attività consistono anche nell’ideazione e implementazione di soluzioni algoritmiche innovative, che vanno dalla modellistica e trattamento del dato grezzo fino al prodotto elaborato e pronto per essere utilizzato negli studi scientifici.
La realizzazione e lo sfruttamento dei risultati delle osservazioni e simulazioni in astrofisica richiedono archivi, cura del dato, calcolo e strumenti di analisi e aggregazione sempre più in linea con i concetti espressi dai paradigmi big data e machine learning. Questo processo richiede infrastrutture e competenze trasversali alla comunità scientifica e necessita della progettazione e implementazione di nuove piattaforme informatiche, in grado di gestire enormi moli di dati eterogenei, che include anche la re-ingegnerizzazione di strumenti già esistenti. Analogamente, le simulazioni numeriche rappresentano uno strumento fondamentale per catturare la complessità dei processi astrofisici che governano l’universo a tutte le scale.
Tali simulazioni, insieme allo sviluppo dell’astrofisica multi-messaggera, con progetti che comprendono multi-telescopi (tra cui, ad esempio, Astri Mini-Array, Cta, Skao) e telescopi spaziali (Gaia ed Euclid), tecnologicamente impongono l’utilizzo del calcolo ad alte prestazioni con infrastrutture di tipo Exascale, rispetto alle quali oggi l’Inaf è impegnato nel co-design. L’analisi di grandi volumi di dati necessita di tecnologie per la visualizzazione scientifica e di tecniche di intelligenza artificiale, che per loro natura sono multidisciplinari e coinvolgono numerose attività di ricerca condotte in Inaf.
L’ente sta contribuendo con molti progetti, programmi e attività R&D di livello internazionale, attraverso progetti europei di rilievo strategico sia in H2020 che EuroHPC, anche allo sviluppo di soluzioni e servizi innovativi per il Cloud Computing e il calcolo distribuito, complementare a quello Hpc (High Performance Computing). Sviluppa e partecipa alle attività nazionali, comunitarie e globali atte a rendere il proprio patrimonio di dati e servizi coerenti con gli scenari di Open Science e Fair-ness. Ha assunto e mantiene ruoli di rilievo in varie organizzazioni, quali la International Virtual Observatory Alliance (Ivoa), che affrontano i temi di interoperabilità, fruibilità del dato, standardizzazione dei dati e dei servizi in ambito astrofisico. Infine, l’Inaf partecipa ad Eosc (European Open Science Cloud), la più grande e-infrastructure federata europea che riassume a livello comunitario le sfide di calcolo e fruibilità del dato. Il suo contributo è dato da importanti progetti di R&D, per lo sviluppo di servizi e strumenti di elaborazione per i dati astrofisici, utilizzabili in modo integrato anche su sistemi Hpc. L’Inaf è inoltre tra i protagonisti del neonato Centro nazionale di ricerca in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing, uno dei 5 centri nazionali istituiti dal Ministero dell’università e della ricerca con i fondi del Pnrr: all’interno delle attività del centro, inaugurato alla fine del 2022, l’ente detiene la leadership di una delle 10 aree tematiche, Astrophysics & Cosmos Observations.