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Motori passo-passo in GPS per la via lattea

La conoscenza della Galassia é lacunosa

Quando si tratta di esplorare la nostra galassia spirale a forma di disco, gli astronomi hanno un problema fondamentale: la Terra non si trova infatti esattamente nel mezzo, ma da qualche parte su un braccio della Via Lattea. Quindi, se si vuole guardare da qui al suo centro, o addirittura al di la di esso fino all’altra parte, la vista è ostruita da innumerevoli stelle. E dalla nostra prospettiva terrestre è molto difficile o addirittura impossibile determinare dove esse si trovino sul nostro piano comune. Una delle regioni di cui sappiamo molto poco in generale è la parte densa al centro della galassia, dove innumerevoli stelle e nuvole di gas si raggruppano intorno ad un presunto buco nero.
Tuttavia, un importante progetto di astronomia, che vede coinvolti otto istituti di diversi paesi, sta per colmare molte delle lacune in questo ambito. Il progetto è stato commissionato dall'European Southern Observatory (ESO). Questa organizzazione scientifica gestisce alcuni dei telescopi più potenti del mondo nel deserto cileno di Atacama. Tra questi è incluso il Very Large Telescope (VLT) presso l'Osservatorio del Paranal con un diametro dello specchio di 8,2 metri.
Scopo del progetto è di dotare il VLT di un nuovo strumento per catturare i segnali ottici dallo spazio. Lo strumento in questione è uno spettrografo, che è in grado di rilevare simultaneamente un gran numero di oggetti cosmici nella parte visibile e in quella infrarossa dello spettro. La sua abbreviazione dà il nome all’intero progetto: MOONS (da Multi-Object Optical and Near-infrared Spectrograph). Il progetto è coordinato dal United Kingdom Astronomy Technology Centre (UK ATC) nella capitale scozzese di Edimburgo.

Uno spettro invece di una foto

“Con una fotocamera di alta qualità puoi cambiare l'obiettivo. Ma con un telescopio astronomico è l’opposto: il VLT ha un obiettivo eccezionale, noi andremo semplicemente a sostituire la «fotocamera» attualmente connessa con il nostro MOONS”, spiega il dott. William Taylor, scienziato presso l’UK ATC. Con la sua nuova tecnologia, MOONS apre possibilità completamente nuove nell'osservare lo spazio, anche se non produce immagini di grandi dimensioni nel senso tradizionale del termine. Al contrario, cattura minuscoli dettagli.
Ecco come funziona: simile a prima, le lenti e gli specchi giganteschi del VLT sono puntati sulla parte dello spazio che deve essere osservata. Ora però, le estremità di esattamente 1001 fibre ottiche nel MOONS vengono allineate ai singoli oggetti all'interno di questa regione cosmica. Invece di riprendere l'intera area selezionata come una fotocamera, il nuovo strumento focalizza le fibre su punti specifici nell'Universo.
Anche questi punti non sono semplicemente fotografati ma la loro luce viene frammentata, tramite prismi, nei singoli componenti, cioè in diverse lunghezze d'onda.
“Scientificamente parlando, questo metodo fornisce molte più informazioni di un'immagine”, spiega il dott. Taylor. “Ad esempio, possiamo conoscere la composizione chimica dell'oggetto. Inoltre, questo ci permette di calcolarne la dinamica, cioè la velocità e la direzione del movimento. Poiché MOONS cattura lo spettro vicino all'infrarosso, possiamo analizzare con precisione il redshift (spostamento verso il rosso) a cui è sottoposta la luce che viaggia verso di noi proveniente da oggetti lontani". Quando una stella si allontana dalla Terra, la lunghezza d'onda della sua luce si allunga. Una parte della luce visibile si sposta così verso l’infrarosso invisibile, che è ancora vicino allo spettro visibile.

Motori passo-passo in GPS per la via lattea
Unità di posizionamento delle fibre (FPU) | Motoriduttore anteriore (asse beta) | Motoriduttore posteriore (asse alpha)

Migliaia di oggetti in vista

La tecnologia fin’ora disponibile consentiva di osservare singolarmente un massimo di circa un centinaio di oggetti, e questo solo nel campo della luce visibile. Con MOONS non solo questo numero cresce di dieci volte, ma anche la profondità delle informazioni aumenta in proporzione. Nella Via Lattea, questo ci permetterà dunque di guardare molto più precisamente tra gli alberi ed ottenere un'immagine molto più chiara dell'intera proverbiale foresta.
“Uno degli obiettivi del progetto è creare una mappa 3D della Via Lattea, che consentirebbe una sorta di navigazione GPS attraverso la nostra galassia. La tecnologia MOONS, con la sua risoluzione senza precedenti, ci consente inoltre di guardare molto lontano, e quindi anche molto indietro nel tempo. Potremo quindi approssimare il Big Bang a poche centinaia di milioni di anni”. Ciò fornirà agli scienziati informazioni sulla prima parte dell' "infanzia" dell’Universo. E sebbene questo sia in parte già possibile oggi, secondo il dott. Taylor MOONS ci fornirà un quadro molto più chiaro e dettagliato. “Saremo in grado di mappare l'Universo fino ad una profondità senza precedenti”.
Gli astronomi hanno quindi intenzione di mirare a diversi milioni di oggetti per un periodo di circa cinque anni. Per raggiungere questo scopo, le 1001 fibre ottiche dello spettrografo devono essere orientate rapidamente e per lo più automaticamente verso gli obiettivi cosmici. Questo é fattibile grazie ad un numero equivalente di unità di posizionamento delle fibre ottiche (FPU – fibre positioning units). Ogni FPU è equipaggiata di due unità di azionamento con motore passo-passo assemblati con riduttori a stadi a gioco ridotto. L’unità nella parte posteriore muove l'asse centrale (alpha) dell’FPU. Montata in modo eccentrico su quest’ultima, l'unità di azionamento anteriore (beta) muove contemporaneamente l’estremità della fibra. La combinazione dei due movimenti assiali consente a ciascuna FPU di coprire un'area circolare all'interno della quale la fibra può essere allineata in modo arbitrario. Quest’area si sovrappone parzialmente alle aree delle FPU adiacenti. Ciò significa che ogni punto all'interno della zona di cattura può essere controllato. Per soddisfare i requisiti più esigenti in termini di ripetibilità della posizione, che risulta indispensabile per evitare collisioni tra le estremità delle FPU, la soluzione del sistema di azionamento deve essere estremamente precisa. Per garantire la precisione necessaria ed evitare collisioni tra le estremità delle FPU, i sistemi devono operare con un’elevata ripetibilità. I motori passo-passo di alta qualità provengono da FAULHABER PRECISTEP; i riduttori senza gioco di FAULHABER Minimotor contribuiscono alla precisione di posizionamento e la filiale di FAULHABER mps si occupa della progettazione meccanica dei moduli.

Motori passo-passo in GPS per la via lattea
Piastra focale dotata di tutte le FPU (non l'unità effettiva) | © eso.org

Dispositivo di mira su misura

”Abbiamo ricevuto un contributo molto prezioso da tutte e tre le società partecipanti del FAULHABER Group”, dichiara il dott. Steve Watson, responsabile dello sviluppo FPU presso l’UK ATC. “Senza il loro know-how unico, sarebbe stato impossibile per noi sviluppare questo modulo centrale in questa forma, e soprattutto di fabbricarlo nelle quantità richieste. Oltre alla velocità alla quale le fibre ottiche devono essere allineate, anche la massima precisione è importante. Arriviamo ad una precisione di 0,2 gradi ed una riproducibilità della posizione fino a 20 micron. Tenendo conto della lunghezza dell’FPU e del design modulare, questi sono valori eccellenti. Inoltre, il corretto allineamento rispetto alla piastra focale su cui sono disposti i moduli viene mantenuto in tutte le posizioni”.
L'elevata precisione e l'estrema affidabilità dei componenti consentono di mantenere il controllo semplice, che è un altro requisito per far funzionare lo spettrografo in modo impeccabile. Elettronica e logiche di controllo complesse ostacolerebbero gravemente il controllo rapido e simultaneo di 1001 unità. Grazie all’elevata qualità dei componenti, è possibile ottenere un allineamento preciso mediante un semplice controllo a loop aperto. La tecnologia deve essere anche molto robusta e praticamente esente da manutenzione per poter svolgere i suoi compiti senza interruzioni per la durata prevista di dieci anni.
Il direttore del progetto, il dott. Alasdair Fairley, sta già guardando al di là delle questioni tecniche: “Stiamo facendo buoni progressi con MOONS. Prevediamo di essere in grado di installare lo spettrografo nell'estate del 2021. La messa in servizio richiederà circa 6 mesi. Potremo quindi probabilmente iniziare con la mappatura all'inizio del 2022. Siamo fiduciosi che l’FPU rimarrà pienamente operativa per dieci anni senza manutenzione”.

Motori passo-passo in GPS per la via lattea

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