Acronimo di “Forecasting atmosphere and turbulence for Eso sites”, il progetto FATE è finalizzato a produrre previsioni della turbolenza ottica e dei principali parametri atmosferici per ottimizzare le osservazioni astronomiche del Very Large Telescope dell’ESO e di tutti gli strumenti di cui è equipaggiato. Il progetto, guidato da INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica si avvale della collaborazione del consorzio LaMMA. 

Meteo e telescopi: prevedere la turbolenza ottica per ottimizzare le osservazioni astronomiche

Per ottenere immagini astronomiche sempre più accurate non basta solo aumentare le dimensioni  dei nuovi telescopi o dotarli di strumentazione allo stato dell’arte. Le prestazioni della maggior parte degli strumenti che osservano il cielo, soprattutto nella luce visibile e nell’infrarosso, dipendono fortemente dalle condizioni meteorologiche in atto durante le operazioni, e in particolare dalla turbolenza dell’atmosfera sopra di essi.  Conoscere con sufficiente anticipo tali condizioni diventa quindi sempre più importante e decisivo per ottimizzare l’utilizzo dei migliori telescopi al mondo, come l’attuale Very Large Telescope (VLT) e il futuro Extremely Large Telescope (ELT), sulle Ande cilene, entrambi dell’European Southern Observatory (ESO). È cruciale poter sfruttare al massimo le capacità di questi gioielli della tecnologia compatibilmente con le condizioni atmosferiche massimizzando il ritorno scientifico prodotto. Il costo tipico di una notte di osservazioni con il VLT si aggira infatti attorno ai 100mila euro: una cifra che spiega da sé quanto sia critico sfruttare al meglio le condizioni ideali dell’atmosfera. Con questi obiettivi l’Istituto Nazionale di Astrofisica ha vinto un bando internazionale di ESO finalizzato a produrre previsioni della turbolenza ottica (TO) e dei principali parametri atmosferici per ottimizzare le osservazioni astronomiche del VLT e di tutti gli strumenti di cui è equipaggiato. Il progetto selezionato, denominato FATE (Forecasting Atmosphere and Turbulence for ESO sites) vede la collaborazione del consorzio CNR/Regione Toscana LaMMA (Laboratorio di Monitoraggio e Modellistica Ambientale per lo sviluppo sostenibile), che fornisce servizi meteo anche per la Protezione Civile italiana.

Il progetto FATE è iniziato nel novembre 2022 e nel periodo settembre – dicembre 2023 è entrato in fase di ‘commissioning’, con i test di verifica delle specifiche tecniche e di funzionamento. Una volta terminato, si entrerà nella  fase operativa in cui ESO potrà ottimizzare strategie osservative per il VLT e iniziare a pianificare quelle di ELT, la cui entrata in funzione è attualmente prevista per il 2028. 

“Il commissioning è durato 4 mesi e aveva come scopo quello di verificare la robustezza del sistema di previsione e il rispetto delle specifiche tecniche richieste da ESO, ovvero dell’accuratezza delle previsioni dei distinti parametri a scale temporali differenti” dice Elena Masciadri, ricercatrice INAF e responsabile scientifica del progetto FATE. “Le fluttuazioni spazio-temporali della turbolenza ottica hanno scale tipiche molto più piccole di quelle dei classici parametri atmosferici e pertanto la previsione della turbolenza ottica è un obiettivo molto più difficile da raggiungere. Le specifiche tecniche di ESO sono inoltre abbastanza stringenti come è naturale aspettarsi, considerando che il VLT è senza dubbio uno dei telescopi di maggior prestigio al mondo ma anche uno dei più complessi, essendo costituito da ben quattro telescopi da 8,2 m di diametro più quattro telescopi ausiliari da 1.8 metri, dotati di una grande varietà di strumentazione e quindi di possibilità osservative. Possiamo dire di essere soddisfatti del commissioning – prosegue Masciadri - in quanto ci ha permesso di dimostrare la robustezza e l’affidabilità del sistema e allo stesso tempo di meglio definire i margini di miglioramento dell’accuratezza delle previsioni dove ci concentreremo nella seconda fase del progetto”.

I moderni telescopi sono ormai dotati di strumentazione intercambiabile che ha specifiche condizioni di utilizzo, che dipende anche dalle condizioni atmosferiche in essere durante le osservazioni. Alcuni di questi strumenti sono poco sensibili, ad esempio, ad una elevata concentrazione di umidità nell’aria, altri invece ne vengono quasi completamente “accecati”. Per alcune tipologie di programmi scientifici è molto importante raccogliere dati in presenza di poca turbolenza atmosferica, ad esempio in tutte le osservazioni che necessitano un elevato livello di dettaglio in piccole porzioni di cielo che sfruttano i benefici dell’ottica adattiva, come nella ricerca di esopianeti. In generale la conoscenza della turbolenza ottica è fondamentale in tutte le osservazioni supportate da ottica adattiva (OA).  L’ELT sarà una facility supportata al 100% dall’OA quindi la previsione della TO è certamente cruciale per l’astronomia del prossimo futuro.

Oltre a prevedere una serie di parametri atmosferici sopra il sito osservativo del VLT come temperatura, intensità e direzione del vento, umidità relativa, vapore acqueo e copertura nuvolosa, il progetto FATE si occuperà nelle ore notturne anche della previsione di parametri cosiddetti astroclimatici, tra cui il cosiddetto seeing, un parametro che indica il livello di perturbazione dell’atmosfera nella qualità delle immagini astronomiche. Ma cosa è la turbolenza ottica? Le fluttuazioni di temperatura nell’aria generano fluttuazioni dell’indice di rifrazione che a sua volta perturba il fronte d’onda della luce proveniente dagli oggetti celesti osservati. Tale fronte d’onda risulta così ‘imperfetto’ e l’immagine raccolta dal telescopio perde l’accuratezza dei dettagli, limitando così le potenzialità della strumentazione impiegata. Le tecniche di ottica adattiva hanno l’obiettivo di correggere queste perturbazioni, ma le loro prestazioni dipendono dallo stato della turbolenza: per questo è fondamentale poter disporre di una previsione accurata della turbolenza ottica. 

Un sistema di previsione come quello previsto nel progetto FATE si basa su modelli idrodinamici che si definiscono a “mesoscala”: il modello viene applicato su una regione limitata della Terra, raggiungendo una più alta risoluzione rispetto a quello che potrebbe fornire una previsione su scala globale. Si tratta di una previsione che viene realizzata usando come dati di inizializzazione quelli prodotti da modelli a circolazione generale, ovvero applicati all’intero globo terrestre dallo European Centre for Medium Range Weather Forecast (ECMWF), il centro che agisce per conto dell’intera comunità europea. 

LaMMA ha la responsabilità operativa di gestire e monitorare il sistema di previsione 

L’esperienza di INAF nel campo delle previsioni di turbolenza ottica per l’astronomia acquisita negli anni è stata fondamentale per arrivare al progetto FATE: “Abbiamo sviluppato un modello per la previsione della turbolenza ottica, denominato Astro-Meso-NH negli anni ’90 e da allora il sistema si è evoluto, è stato applicato a diversi tra i maggiori osservatori al mondo e più recentemente è stato automatizzato rendendo il modello utilizzabile in modalità operativa e non solo di ricerca” ricorda Elena Masciadri. “lo sviluppo delle moderne tecniche di ‘data assimilation’ e più in generale le tecniche statistiche di filtraggio spaziale ci hanno garantito livelli di accuratezza inimmaginabili solo una decina di anni fa. INAF  - conclude Masciadri - ha la responsabilità scientifica del progetto FATE, curando lo sviluppo del sistema automatico di previsione operativa, dello studio e sviluppo degli algoritmi necessari per ottenere le specifiche tecniche del sistema di previsione e di tutte le attività necessarie al miglioramento delle prestazioni che verrà attuato nel corso dei primi anni della fase operativa. Il LaMMA ha la responsabilità operativa di gestire e monitorare il sistema di previsione, sia a livello giornaliero che su intervalli temporali più lunghi e di garantire quindi una copertura ottimale del sistema.”

“Il software per la produzione delle previsioni della turbolenza ottica è operativo presso il LaMMA e sfrutta risorse computazionali dei sistemi HPC (High Performance Computing) dedicate esclusivamente a FATE e acquisite anche grazie ad un contributo di Regione Toscana. La collaborazione del LaMMA in questo progetto poggia in primis sul suo Centro di Calcolo che da oltre venti anni, ha mostrato la propria affidabilità in termini di robustezza e resilienza nell’ambito del servizio meteo svolto per la Regione Toscana” dice Alberto Ortolani, ricercatore CNR del LaMMA e responsabile delle attività LaMMA in FATE. “Le notevoli competenze scientifiche sviluppate presso INAF nel campo della previsione della turbolenza ottica e la pluriennale esperienza del Consorzio LaMMA nel gestire servizi operativi ha fatto sì che la proposta risultasse vincitrice nella call internazionale aperta da ESO. Aver vinto con una proposta toscana ci rende particolarmente orgogliosi”.