Very fast photon counting photometers for astronomical applications

Gli argomenti trattati in questa tesi sono la progettazione, l’integrazione e l’utilizzo del fotometro ultrarapido a conteggio di singolo fotone IQuEYE (Italian Quantum Eye). L’implementazione di questo strumento rappresenta un passo fondamentale in un progetto avviato nel 2005 che mira alla realizzazione di un fotometro quantistico, QuantEYE, per il telescopio EELT (European Extremely Large Telescope) di 42 metri di diametro, oggi in fase di costruzione, la cui ultimazione è prevista per il 2018. Un tale strumento rappresenterebbe una svolta nell’astronomia osservativa, permettendo di estendere le conoscenze sviluppate nell’ambito dell’ottica quantistica teorica e sperimentale all’ambito astrofisico. QuantEYE è progettato per estrarre dalla luce raccolta le informazioni contenute nella statistica di distribuzione spaziale e temporale dei fotoni mediante l’analisi delle funzioni di correlazione di ordine superiore al primo, limite al quale si fermano gli strumenti astronomici “classici”. Lo strumento descritto nella presente tesi, IQuEYE, è un prototipo destinato all’uso su NTT (ESO New Technology Telescope). Si tratta essenzialmente di un contatore di singoli fotoni progettato per raccogliere la luce suddividendo la pupilla del telescopio attraverso quattro canali indipendenti che utilizzano dei rivelatori di tipo SPAD. L’innovativo sistema di etichettatura temporale dei fotoni rilevati si basa su un orologio atomico al rubidio, per corregere la deriva del quale viene usato un segnale GPS interpolato su lunga scala temporale. Tale sistema permette di identificare ogni fotone con una precisione relativa migliore di 100ps ed una precisione assoluta riferita ad UTC di 500ps per un’ora di osservazione. Lo strumento è in grado identificare in questo modo fino ad otto milioni di fotoni al secondo, cioè di sostenere flussi di fotoni fino ad un limite massimo di 8MHz. Tutti i tempi di arrivo, digitalizzati a 25ps, vengono salvati e permettono l’analisi differita e la rielaborazione nel tempo. La prima parte della tesi è dedicata alla descrizione dettagliata dello strumento, a partire dalla fase di progettazione, il disegno optomeccanico, fino alla sua integrazione. IQuEYE è oggi perfettamente funzionante ed è stato già utilizzato in tre campagne osservative a La Silla (Cile) durante i mesi di gennaio e dicembre 2009 e luglio-agosto 2010. La tesi raccoglie quindi i risultati di alcune delle osservazioni effettuate e li presenta nella seconda parte, con l’intento di dimostrare le potenzialità dello strumento. Vengono descritti sommariamente un primo esperimento di fattibilità per l’interferometria di intensità e l’osservazione di un transito esoplanetario che permette di raddoppiare la precisione nella determinazione del periodo di metà transito rispetto agli strumenti utilizzati da altri autori. Per finire sono esposti i risultati ottenuti nell’osservazione di oggetti rapidamente variabili, tre pulsar ottiche, e alcuni strumenti di analisi dati sviluppati specificatamente. I dati acquisiti hanno una qualità eccellente e hanno permesso di ottenere la miglior determinazione mai conseguita del periodo di pulsazione per PSR B0531+21 (la pulsar della nebulosa del Granchio). Sono inoltre state ricavate le prime curve di luce ottiche da decenni a questa parte per PSR B0833-45 (debole pulsar nella costellazione della Vela, ai limiti di visibilità per NTT) e per B0540-69. In questo modo la validità di IQuEYE nell’ambito dell’astronomia ad alta risoluzione temporale è stata ampiamente dimostrata.