Optical design study, testing and qualification of a Schwarzschild-Couder telescope for CTA and an assessment on the Intensity Interferometry capabilities with CTA

Vi é un crescente interesse nella comunita’ dell'astrofisica delle alte energie verso lo sviluppo di nuove infrastrutture di ricerca per rispondere alle questioni fondamentali della moderna astrofisica delle alte energie e della fisica delle astroparticelle. Il Cherenkov Telescope Array é un progetto internazionale che ha lo scopo di costruire due array separati per osservare l'intero cielo alle altissime energie tra 20 GeV e 300 TeV lungo un periodo di attivita’ di almeno 30 anni. CTA é pensato per aumentare la sensibilita’ di un fattore 10 ad 1 TeV, per allargare l'area di detection, la risoluzione angolare e il campo di vista rispetto ai telescopi attualmente operanti. L'osservatorio sara’ caratterizzato da un'elevata flessibilita’, potenziate capacita’ di monitoraggio e survey profonde, osservazioni a piccole scale temporali e osservazioni simultanee in campi multipli. Questa tesi dottorato si concentra sullo studio del disegno ottico e dei test di un telescopio Cherenkov a due specchi per l'osservatorio CTA. Sebbene tutti i telescopi Cherenkov operanti oggigiorno, si basino su uno specchio singolo, perlopiu’ secondo disegni parabolici o Davies-Cotton, c’é un nuovo interesse nello sviluppo di configurazioni a due specchi secondo la configurazione Schwarzschild-Couder. Questo disegno peculiare, basato su due specchi altamente asferici definisce dei telescopi aplanatici con ampi campi di vista caratterizzati da f/# molto piccoli (sistemi molto veloci) e strutture piu’ compatte. Soluzioni a due specchi consentono l'uso di pixels piu’ piccoli (3-6 mm) basati sulla tecnologia dei foto-moltiplicatori al silicio in sostituzione ai piu’ grandi tubi foto-moltiplicatori (1 pollice) attualmente in uso. L'aumento di complessita’ in termini di lavorazione delle ottiche, replica ed allineamento é motivato dalle promettenti, nuove, performance di questa configurazione. In questo contesto l'Istituto Nazionale per l'Astrofisica (INAF) supportato dal Ministero Italiano per l'Educazione, l'Universita’ e la Ricerca (MIUR), sta sviluppando un telescopio di piccola taglia per CTA, chiamato ASTRI, e basato su un disegno ottico Schwarzschild-Couder. Il presente lavoro si confronta con la difficile realizzazione di questa configurazione ottica che non é mai stata applicata ai telescopi Cherenkov. Dopo un capitolo introduttivo sull'astronomia gamma e sul disegno ottico di ASTRI (capitoli 1 e 2), le performance di questo sistema ottico sono comparate con quelle dei comuni telescopi a grande campo in uso per osservazioni Cherenkov e per altre applicazioni in astrofisica (capitolo 3). Successivamente nel capitolo 4, un esteso studio delle caratteristiche e delle performance di ASTRI in relazione ai requisiti di performance e ambientali richiesti da CTA é presentato in una dettagliata analisi di compatibilita’ supportata da simulazioni di ray tracing, analisi agli elementi finiti e studi di tolleranza. Nel capitolo 5 i test di qualifica dello specchio secondario danno una visione della complessita’ delle ottiche Schwarzschild-Couder. La realizzazione di questo elemento ottico é difficile in relazione alle tecnologie esistenti e in particolare agli stretti vincoli di costo imposti dal progetto CTA. Questi vincoli e la grande sagitta dello specchio (190 mm) richiedono l'uso della tecnica dello slumping a caldo in sostituzione dello slumping a freddo o della fresatura a diamante generalmente usati per la produzione di ottiche Cherenkov. I risultati di un'estesa campagna di test su alcuni prototipi di specchio ha accertato che questa tecnica di produzione puo’ supportare un affidabile processo di ingegnerizzazione per grandi specchi altamente asferici. Con uno sguardo alla scienza con i futuri grandi telescopi come CTA, é stato effettuato anche uno studio di valutazione sulle potenzialita’ della tecnica dell'interferometria di intensita’ (riportato nel capitolo 6). In particolare, é stato investigato un nuovo tipo di osservazione basato sull'interferometria di intensita’; questo metodo si propone di stimare la distanza geometrica degli oggetti celesti. Gli ordini di grandezza dello spazio dei parametri del problema e la sensibilita’ che CTA e altre grandi osservatori del futuro dovrebbero raggiungere sono stimati a mezzo di simulazioni numeriche. In questa cornice é anche discusso un possibile esperimento per testare la precisione del metodo con le attuali tecnologie a disposizione.