IASF-Bologna si caratterizza principalmente per ricerche nell’ambito della scienza spaziale, con attività sia in campo tecnologico, che nell’astrofisica, galattica ed extragalattica, e cosmologia, seguendone lo spettro completo delle problematiche: sperimentali, osservative e teoriche.
In tempi recenti, IASF-Bologna ha inoltre avviato attività nell’ambito di programmi di astrofisica gamma da terra e di sviluppo di telescopi ottici e infrarossi.
Molto rilevante è inoltre l’attività sperimentale, tecnologica e di ricerca e sviluppo, soprattutto nel campo dell’astrofisica delle alte energie e della cosmologia osservativa in microonde-millimetrico.

Criogenia spaziale

Misurare la temperatura del cielo nel millimetrico e vicino infrarosso (da qualche GHz a 1 THz), a -270 C e con la precisione di 1 milionesimo di grado diventa una difficoltà insormontabile se non si dispone di adeguate sorgenti criogeniche di calibrazione che permettano di caratterizzare i rivelatori durante tutte le fasi di test o forniscano un riferimento stabile di segnale ad uno strumento a bordo di un satellite.

Temperatura di esercizio (circa 4K), elevata emissività (‘corpi neri’ con radiazione emessa superiore al 99,99%), purezza della polarizzazione, stabilità termica, compattezza (da pochi mm a 1 m) sono il biglietto da visita di questi pezzi di cielo in miniatura. IASF-Bologna, nell’ ambito del progetto PLANCK, ha progettato (combinando analisi elettromagnetica, termica, meccanica), realizzato (tecniche innovative), testato,  in condizioni nominali di esercizio,  i tre calibratori da terra  degli strumenti LFI (27 GHz-77 GHz)  ed HFI (100 GHz-900 GHz), oltre al sistema di riferimento criogenico  di volo dei radiometri a pseudo-correlazione dello strumento PLANCK-LFI (4K Reference Load).
Questi dispositivi rappresentano lo stato dell’arte dei riferimenti passivi per la calibrazione di rivelatori criogenici a microonde.

Tecnologie millimetriche

Lo studio della polarizzazione della Radiazione di fondo Cosmico a microonde è uno degli argomenti caldi della cosmologia dell’inizio del XXI secolo. La sua misura richiede strumenti e tecnologie innovative. L’IASF Bologna coordina e contribuisce al progetto dell’ASI “Sviluppi tecnologici nel millimetrico per missioni di polarizzazione”, che ha come obbiettivo lo sviluppo tecnologico di tre aree critiche e tra loro complementari: la progettazione e la realizzazione di componenti passivi altamente innovativi che permettano, con il loro design compatto, la realizzazione di piani focali contenenti array di numerose antenne; la realizzazione di amplificatori HEMT per applicazione in polarizzatori coerenti criogenici; la costruzione di un mosaico di rivelatori bolometrici criogenici sensibili alla polarizzazione, con un numero elevato di pixel.
L’insieme degli obiettivi di queste attività consentiranno alla tecnologia Italiana di proporsi come punto di riferimento per future missioni spaziali di studio della polarizzazione del fondo cosmico a microonde.

Lenti di Laue

Le sfide scientifiche che dovranno affrontare le missioni spaziali per astrofisica dei raggi X duri e gamma nel prossimo decennio impongono un radicale miglioramento (x100) della sensibilità di osservazione della strumentazione oggi operativa.

Una soluzione particolarmente stimolante per soddisfare questi requisiti è lo sviluppo di dispostivi in grado di focalizzare raggi X e gamma come le lenti di Laue.

Queste lenti sfruttano la capacità dei cristalli di deviare, mediante diffrazione, il percorso dei fotoni X incidenti. Assemblando un certo numero di cristalli si possono ottenere dei dispositivi in grado di focalizzare i raggi X/gamma incidenti in uno stesso punto, proprio come una lente tradizionale fa con la luce visibile. La costruzione di lenti di Laue per lo spazio richiede lo sviluppo di sofisticate tecnologie sia per la realizzazione dei cristalli più adatti sia per il loro assemblaggio meccanico.

Il nostro istituto, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara è impegnato da diversi anni nello sviluppo di Lenti di Laue per focalizzare raggi X da circa 100 a diverse centinaia di keV.

Spettrometri a semiconduttore a temperatura ambiente 

Come è possibile ottenere un’immagine in vari colori (energie) del cielo X e gamma?
Con rivelatori progettati per questo scopo costituiti da Tellururo di Cadmio (CdTe) o di Tellururo di Cadmio con l’aggiunta di Zinco (CdZnTe), materiali semiconduttori che permettono la realizzazione di sensori sensibili alla posizione, operativi a temperatura ambiente, dotati di buona risoluzione spaziale ed energetica.
Attualmente rivelatori realizzati con questa tecnologia sono operativi a bordo di ISGRI/INTEGRAL e BAT/Swift, e sono impiegati in svariati campi, oltre a quello spaziale.
IASF-Bologna è impegnato sin dagli anni ’90 nello sviluppo di questo tipo di sensori per raggi X e gamma e nella progettazione di rivelatori avanzati per missioni spaziali in grado di effettuare anche misure della polarizzazione dei fotoni utilizzando lo scattering Compton. Il nostro gruppo ha proposto fra i primi, l’utilizzo di rivelatori di CdTe/CZT segmentati per misure di polarizzazione X e gamma con la realizzazione di una serie di esperimenti (PoLCA), i cui risultati sono diventati un riferimento a livello internazionale. In questo stesso contesto l’attività del gruppo si è recentemente orientata, nell’ambito di una collaborazione europea, allo sviluppo di rivelatori in grado di determinare la posizione di interazione dei fotoni in 3 dimensioni ad ogni energia. Questa capacità è un requisito chiave per la nuova strumentazione di astrofisica X e gamma perchè permetterà di aumentare significativamente la sensibilità di misura contemporanea di energia, localizzazione e polarizzazione delle sorgenti cosmiche mediante la determinazione più precisa dei parametri di ogni interazione dei fotoni incidenti con il rivelatore.

Diodi a valanga a singolo fotone (SPAD)

Quali rivelatori usare nei satelliti di domani per migliorare le prestazioni dei rivelatori per raggi gamma a bordo di missioni come AGILE e Fermi? Una possibilità è l’uso di fibre scintillanti in materiale plastico, di spessore inferiore al mm, che sono meno costose e possono essere fabbricate in lunghezze molto maggiori rispetto ai tradizionali rivelatori al silicio. Queste fibre producono luce al passaggio della radiazione, ma la luce prodotta è poca: servono quindi dispositivi estremamente sensibili per poterla rivelare. Per questo motivo stiamo studiando i dispositivi i diodi a valanga a singolo fotone, o SPAD (Single Photon Avalanche Diode), in grado di “scattare” anche se vengono colpiti da un solo fotone, la minima quantità di luce possibile. Questi dispositivi, realizzati dall’istituto IMM del CNR, nella stessa area della ricerca in cui si trova IASF Bologna, sono stati pensati originariamente per applicazioni “di terra” e per la prima volta vengono studiati come rivelatori per lo spazio, rappresentando quindi un ottimo esempio di sinergia fra istituti che si occupano di tematiche diverse.

BATMAN

Nei videoproiettori c’è un componente di alta tecnologia che gli astronomi ritengono possa essere molto utile per costruire un nuovo rivelatore per luce visibile e infrarossa: il DMD.
Si tratta di un componente elettromeccanico composto da una griglia di 1 milione di piccolissimi specchi che si possono orientare usando un segnale elettrico.
Mettendo un DMD lungo il cammino ottico di un telescopio, è possibile indirizzare la luce di ogni stella o galassia verso il rivelatore o bloccarla.
Questo è molto importante quando si raccolgono gli spettri di oggetti celesti poichè è così possibile selezionarli in modo che essi non siano “inquinati” da quelli degli altri oggetti presenti nel campo di vista nè dalla luce diffusa del cielo.
Lo strumento BATMAN utilizzerà un DMD con 2048×1080 specchietti e sarà installato sul Telescopio Nazionale Galileo alle Canarie.