Scrutare il cielo è proprio dell’uomo.

1

Introduzione

Scrutare il cielo è proprio dell’uomo.

E da millenni, quale che sia il motivo per cui lo si fa – diletto, divinazione, religione, scienza – ne resta inalterato il fascino…

Nei secoli, gli strumenti per l’osservazione del cielo sono cambiati enormemente… e se fino a Galilei l’occhio nudo era l’unico mezzo per osservare gli astri, oggi ben diversa è la situazione. La scienza astronomica, come ogni altra, si appoggia costantemente alla tecnologia, è legata ad essa tramite un filo indissolubile: ogni progresso tecnologico può portare a moltitudini di piccole scoperte astronomiche, quando non addirittura a nuove teorie, o ad ulteriori conferme delle precedenti.

La nascita del primo cannocchiale rifrattore si fa comunemente risalire al 1608, ad opera di artigiani olandesi. Già a partire dall’anno successivo, in cui Galileo costruì il suo celebre strumento, il cannocchiale fu “ufficialmente” puntato verso la volta celeste. Pochi anni dopo, nel 1611, Keplero propose per la prima volta il telescopio riflettore con cui si potevano avere, allo stesso costo, aperture maggiori, seppur con alcuni inconvenienti sulla capacità risolutiva e sulla qualità dell’immagine. Nel corso dei secoli questi strumenti sono stati tecnicamente molto perfezionati, sia nella sezione propriamente ottica sia in quella meccanica, altrettanto importante in operazioni delicate come la messa a fuoco o lo spostamento preciso dello strumento.

Nell’ultimo secolo, nuovi passi da gigante sono stati fatti nella tecnologia astronomica: basti pensare allo sviluppo delle tecniche fotografiche, alla nascita della radioastronomia, ai telescopi orbitanti che nemmeno risentono della distorsione dovuta all’atmosfera.

Grazie all’analisi spettrale, è oggi possibile studiare il movimento degli astri, e perfino stabilirne la composizione – ed ecco nascere, accanto all’astronomia, l’astrofisica. Tutte le radiazioni elettro- magnetiche possono essere rilevate e studiate, anche al di fuori della banda del visibile.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo dell’elettronica e dell’informatica ha rivoluzionato anche il

mondo dell’astronomia. Enorme è stato lo sviluppo dei sistemi elettronici di ausilio ai grandi

telescopi; calcolatori sempre più potenti permettono l’elaborazione di masse di dati sempre più

2 consistenti; la stessa acquisizione delle immagini viene ormai fatta non più solo tramite l’occhio umano o la lastra fotografica, ma anche e soprattutto tramite sensori elettronici, sempre più spesso basati sulla tecnologia del silicio.

Vi sono scienziati per i quali “scrutare il cielo”, oggi, significa soprattutto analizzare dati numerici, interpretarli con l’ausilio dei calcolatori, elaborare rigide strutture matematiche; ma lo fanno mossi dallo stesso istinto del bambino affascinato che alza gli occhi al cielo stellato: la curiosità per l’ignoto, la gioia della scoperta.

Il lavoro svolto nell’ambito del progetto di ricerca “cofin-prin 2002” – “Development of Monolithic Photon-Counter Arrays for Transient High-Energy Phenomena and Adaptive Optics in Astrophysics”

– s’inserisce proprio in tale contesto di sviluppo tecnologico rivolto ad applicazioni astronomiche. In particolare il progetto è nato mirando allo sviluppo di un sistema di acquisizione del segnale luminoso basato su sensori SPAD, sensibili all’arrivo di ogni singolo fotone, di tipo innovativo.

Gli obiettivi principali che si vogliono conseguire sono: una grande sensibilità del sistema anche alle più deboli fonti luminose, la possibilità di effettuare acquisizioni molto veloci, la possibilità di svolgere le prime elaborazioni dei dati raccolti direttamente in hardware.

Il progetto è rivolto essenzialmente a tre applicazioni astronomiche, per le quali sensibilità del sistema e velocità di acquisizione sono parametri critici. Esse sono: l’ottica adattiva, o Adaptive Optics (AO), l’acquisizione di immagini di transitori veloci, o Fast Transient Imaging (FTI), e l’analisi degli strati atmosferici, o Layer Sensing (LS).

Nel primo capitolo saranno brevemente descritte proprio le tre applicazioni astronomiche cui si rivolge il progetto, per cercare di comprendere l’utilità del sistema che si vuole sviluppare, in funzione delle esigenze percepite dagli astronomi.

Nel secondo capitolo, invece, si entrerà più nel dettaglio del progetto specifico, attraverso la descrizione del sistema complessivo e delle sue diverse parti, con particolare attenzione ai sensori SPAD. Verranno inoltre enunciate le specifiche definitive legate alle varie parti del sistema.

A questo punto – nel terzo capitolo – sarà possibile addentrarsi nel merito, ancor più specifico, della sezione di Data-Processing del sistema, affidata all’università di Pisa. Una scheda di Data- Processing dovrà acquisire i dati provenienti dai sensori SPAD e svolgere le prime elaborazioni su di essi. Sarà effettuata e motivata la scelta della piattaforma di sviluppo, saranno brevemente

1

Nel seguito, spesso ci si riferirà all’intero progetto tramite l’abbreviazione “Progetto SPADA”.

3 descritte le schede di ausilio ad essa, e sarà infine effettuato il partizionamento del progetto della Data-Processing Board.

Nel quarto capitolo si entrerà ancora più nel particolare, attraverso la descrizione della scheda di interfaccia della Data-Processing Board, la prima parte di essa ad essere effettivamente progettata in dettaglio.

Sarà inoltre necessario un software di gestione del sistema, che consenta di effettuare le impostazioni hardware necessarie alle tre applicazioni, la visualizzazione ed il salvataggio dei dati, ed eventuali post-elaborazioni degli stessi. Tutto ciò dovrà essere fatto tramite un’interfaccia intuitiva: il quinto capitolo costituirà proprio la descrizione dell’interfaccia grafica del software.

Verrà effettuata in questo modo anche un’ultima visione totale delle funzionalità dell’intero

sistema.