PROGETTAZIONE SPETTROGRAFO PER L OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI TRADATE

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1 Corso Di Studi In Ingegneria Fisica Laurea Triennale Relatore: Prof Sandro De Silvestri Correlatore: Dott. Giuseppe Savio PROGETTAZIONE SPETTROGRAFO PER L OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI TRADATE TESI DI LAUREA Domenico Maisto Matricola ANNO ACCADEMICO

2 L attività di tirocinio è stata svolta presso l Osservatorio Astronomico di Tradate, fondazione FOAM 13, polo di divulgazione didattica e ricerca scientifica, inaugurata il 13 maggio 2007 presso il Parco Pineta di Appiano Gentile e Tradate. SCOPO: progettare uno spettrografo per il telescopio principale di tale Osservatorio. DESTINAZIONE: analisi spettroscopica di corpi celesti noti come NEOs, in particolare delle comete e della loro chioma.

3 I NEOs sono comete e asteroidi che sono state spinte dalla forza di attrazione gravitazionale di pianeti vicini verso orbite che permettono loro di entrare nell orbita terrestre. Classi in cui si dividono tali corpi celesti a seconda della loro distanza di perielio q, distanza di afelio Q, e il semiasse maggiore a Gruppo Descrizione Definizione NECs Near-Earth Comets q<1.3 AU, P<200 anni NEAs Near-Earth Asteroids q<1.3 AU Una definizione più rigorosa dal punto di vista astronomico è la seguente: I NEOs sono asteroidi e comete con una distanza di perielio q <1,3 AU. Atiras NEAs la cui orbita è contenuta completamente nell orbita terrestre Atens Earth-crossing NEAs con semiasse maggiore più piccolo di quello della Terra Apollos Earth-crossing NEAs con semiasse maggiore più grande di quello della Terra a<1.0 AU, Q<0.983 AU a<1.0 AU, Q>0.983 AU a>1.0 AU, q<1.017 AU Amors Earth-approaching NEAs con a>1.0 AU, 1.017<q<1.3 orbite esterne a quelle della Terra e AU interne a quelle di Marte PHAs Potentially Hazardous Asteriods: NEAs: tutti gli asteroidi che posseggono un MOID (Earth Minimum Orbit Distance) di 0,05 AU o meno e una magnitudine assoluta (H) di 22,0 meno. MOID<=0.05 H<=22.0 AU,

4 Lo studio spettroscopico delle comete permette di conoscere: o o le caratteristiche chimico-fisiche della chioma che circonda il loro nucleo la velocità grazie all effetto Doppler Le molecole che sfuggono dal nucleo ed il loro prodotto di disintegrazione dovuto all'irraggiamento solare hanno delle caratteristiche spettrali specifiche nell ultravioletto, nel visibile, infrarosso o onde radio a secondo del meccanismo di emissione.

5 Nel campo del visibile o vicino UV gli spettri sono caratterizzati dalle righe di emissione dei radicali instabili, provenienti dalla sublimazione dei ghiacci cometari, essenzialmente CN, C 2, C 3, NH 2. Per quanto riguarda lo spettro di assorbimento, nel visibile (ossia tra i 4000Å e i 7000Å), ciò che ci si aspetta di osservare sono i seguenti elementi H, Fe, Ca, Na. Per tale motivo si è deciso di progettare lo spettrografo in modo tale da poter rilevare la parte dello spettro nel visibile.

6 Collimatore: lente acromatica posta dalla fenditura dello strumento ad una distanza pari alla lunghezza focale della lente. Reticolo di diffrazione: in riflessione blazed Focheggiatore: lente acromatica. Sensore: CCD Gamma spettrale: 4300 Å-6600 Å.

7 SPECIFICHE COLLIMATORE FOCHEGGIATORE Diameter (mm) Diameter Tolerance (mm) +0.00/ /-0.10 Clear Aperture CA (mm) Effective Focal Length EFL (mm) Back Focal Length BFL (mm) Abbiamo scelto queste lenti perché hanno come caratteristica principale quella di minimizzare il problema dell aberrazione cromatica. Coating MgF2 Bare Aluminum Type Achromatic Lens Achromatic Lens f/# 4 2 Numerical Aperture NA Wavelength Range (nm)

8 RETICOLO DI DIFFRAZIONE CCD KODAK KAI Dimensions (mm) 30.0 x 30.0 Dimensional Tolerance (mm) ±0.5 Clear Aperture (%) 90 Thickness (mm) 9.5 Substrate Float Glass Blaze Angle 17 27' Absolute Diffraction Efficiency (%) Blaze Wavelength Design Wavelength DWL (nm) 500 Coating Direction of Grooves Bare Aluminum Parallel to Short Dimension Groove Density (grooves/mm) 1200 Total Number of Pixels Number of Effective Pixels Number of Active Pixels Pixel Size Chip Size Quantum Efficiency 50% Dark Current Maximum Data Rate 4072(H) x 2720(V) 4032(H) x 2688(V) 4008(H) x 2672(V) 9.0µm x 9.0µm 37,25 mm (H) x 25,70 mm (V) < 50 mv/s 28MHz Type Construction Reflective Diffraction Grating Ruled Grating

9 Calcolo del diametro ottico d 1 uscente dal collimatore Scelta reticolo Abbiamo verificato che non si perdesse luce dal telescopio A tal fine abbiamo scelto una lente il cui diametro fosse maggiore di d 1, infatti, la lente da noi scelta come collimatore ha un diametro di 25mm Con tale formula, inoltre, abbiamo potuto scegliere un reticolo di dimensioni tali da garantirne il completo illuminamento per ragioni costruttive Calcolo dell angolo di incidenza Calcolo dell area effettivamente coperta dal fascio sul reticolo Dove l=30mm Verifica che tale area fosse maggiore di d 1 : Essendo l y d1 non viene persa luce dal reticolo

10 Tale formula serve per calcolare il fascio ottico in uscita dal reticolo ma essa non è sufficiente per il calcolo del d 2 effettivo perché non tiene conto della dispersione angolare introdotta dal reticolo Introduco il calcolo di f 2 Sapendo le dimensioni del reticolo, il numero di pixel N e la loro dimensione p, abbiamo scelto f 2 in modo tale da ottenere una dispersione spettrale, ρ, sul CCD in modo tale da far si che venisse coperto il range del visibile sul CCD. Scegliendo f 2 =100mm abbiamo ottenuto il seguente valore della dispersione o 7 p cos A spettrale: 10 0,75 m f 2 pixel che ci ha permesso di coprire il range da noi desiderato, infatti, tramite la N o o seguente formula 1,2 0 abbiamo ottenuto 3973 A 7027 A 2 Scelto f 2 abbiamo corretto la formula di d 2 come segue, ottenendo il d 2effettivo Noto tale valore abbiamo scelto una lente, come focheggiatore, con diametro di 50mm in modo tale evitare l effetto pupilla della lente

11 Risoluzione dello strumento: passo reticolare d= Seeing medio s pari a 3 Potere risolutivo (lunghezza d onda centrale 5500Å): Siamo riusciti nell intento di coprire il range spettrale da noi desiderato, ossia il visibile, per l osservazione dei corpi celesti noti come NEOs ed, inoltre, abbiamo ottenuto uno strumento in grado di distinguere due righe spettrali separate di 3Å con potere risolutivo di 1833,3