Science and Technology in Italy for the upgraded alma observatory ialma



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Obiettivi scientifici di questo progetto

L’obiettivo scientifico principale di iALMA e’ di attuare una strategia di sviluppo tecnologico/strumentale e scientifico per permettere ai ricercatori italiani di affrontare compiutamente con ALMA lo studio della chimica delle molecole complesse nelle fasi iniziali della formazione di stelle e pianeti e lo studio dell’evoluzione delle galassie nell’Universo. Per questo scopo e’ necessario procedere su tre fronti distinti ma strettamente connessi: lo sviluppo del supporto all’utilizzo scientifico di ALMA da parte della comunita’ italiana, lo sviluppo della partecipazione italiana alle potenzialita’ strumentali di ALMA con ricevitori di nuova generazione, e lo sviluppo in Italia di esperimenti di laboratorio di nuova generazione in grado di riprodurre e studiare in laboratorio i processi chimici attesi nei ghiacci interstellari, misurando anche i tassi di produzione di molecole complesse molto rare.



  • Sviluppo del supporto all’utilizzo scientifico da parte della comunita’ italiana. Le nuove capacita’ scientifiche offerte da ALMA implicheranno la necessita’ di sviluppare nuove competenze nell’ARC node italiano, in modo da permettere che l’utilizzo scientifico di ALMA da parte della comunita’ italiana resti di altissimo livello. In particolare, in questo progetto ci proponiamo di sviluppare le competenze dell’ARC node nell’area delle osservazioni polarimetriche e VLBI. L'ARC italiano intende diventare l'esperto europeo per le osservazioni polarimetriche con ALMA. Misurare le proprieta’ in polarizzazione delle sorgenti astronomiche e’ un aspetto importante del programma scientifico di ALMA, ad esempio come strumento per la misura dei campi magnetici e del loro ruolo nella formazione di stelle, pianeti e attivita’ AGN. Tipicamente la frazione di polarizzazione e’ piuttosto bassa, attorno all'1-2%, ma e’ necessario poterla misurare in modo accurato. Per questa ragione uno dei requisiti tecnici piu’ difficili ma anche piu’ importanti per ALMA e’ quello di ottenere che, dopo la calibrazione, l'osservazione di una sorgente non polarizzata mostri una polarizzazione residua strumentale non superiore al 0.1%. E' in corso la fase di validazione per questo modo osservativo e si prevede che osservazioni di tutti i parametri di Stokes saranno offerte in via preliminare a partire dal prossimo ciclo osservativo. Alcuni membri dell'ARC hanno esperienza in polarimetria, ma per preparare compiutamente l'ARC e per ottenere esperienza col sistema di ALMA e supportare gli utenti in polarimetria e’ necessario prendere parte all'analisi dei dati della fase di validazione per ALMA. Per questo scopo l'ARC necessita di avere un esperto completamente dedicato alle attivita’ connesse alla polarimetria, che lavori con gli altri nodi ARC e con il progetto ALMA per portare ALMA alla completa operativita’ anche in polarizzazione. Un'altra area di competenza che abbiamo intenzione di sviluppare al nodo ARC e’ il supporto alle osservazioni di VLBI millimetrico. L'INAF-Istituto di Radioastronomia ha una lunga esperienza e collaborazioni nella rete VLBI a frequenze radio, e alcuni membri dello staff dell'ARC italiano sono coinvolti in osservazioni VLBI. Il nodo ARC e’ pertanto in un'ottima posizione per contribuire al mm-VLBI con ALMA. E' necessario aggiungere allo staff ARC un esperto che sia dedicato alle attivita’ connesse al VLBI con ALMA.

  • Sviluppo di un prototipo di ricevitore in Banda 2 per ALMA. Lo sviluppo dei ricevitori per la Banda 2 di ALMA e’ essenziale per lo studio delle molecole complesse nelle regioni di formazione stellare e planetaria e per lo studio del gas molecolare di bassa eccitazione a redshift moderato (z<2). Lo sviluppo dettagliato dei programmi scientifici e delle conseguenti specifiche tecniche sono di competenza del Science Working Group (SWG, WP1). Una fase di R&D iniziale per lo sviluppo di componentistica per una Banda 2 di concezione innovativa per ALMA e’ nelle fasi finali di sviluppo nell’ambito di uno studio di fattibilita’ portato avanti da un consorzio internazionale composto da STFC (UK), INAF (I) e IRAM (F) sotto contratto con ESO. Con iALMA proponiamo di far fare un salto di qualita’ a questo studio passando alla fase di realizzazione di prototipi integrati e di testarli nei laboratori INAF di Arcetri e Bologna. Lo sviluppo e i test della componentistica e del ricevitore (WP4 e WP5) saranno effettuati in stretto contatto con il WP1 per le specifiche scientifiche e con lo scopo di consolidare e rafforzare la posizione italiana nell’ambito del consorzio internazionale per la costruzione della Banda 2 per ALMA. Nel corso del primo anno di iALMA procederemo all’acquisizione della strumentazione di laboratorio e alla produzione da parte di aziende italiane della componentistica per il prototipo del ricevitore. Nel corso del secondo e terzo anno il prototipo verra’ assemblato e testato nelle sue componenti e come sistema complessivo nei laboratori di Arcetri e Bologna. Nella fase finale di iALMA (terzo-quarto anno) sara’ valutata con INAF la possibilita’ di eseguire dei test funzionali “on-sky” del prototipo di ricevitore utilizzando una dei radiotelescopi italiani piu’ adeguati alla banda di frequenza del ricevitore: Noto oppure SRT. I risultati della costruzione e test del prototipo saranno il determinante contributo italiano alla definizione del disegno dettagliato e del piano di costruzione del ricevitore ALMA Band 2 che verra’ presentato dal consorzio internazionale a ESO/ALMA per l’approvazione della produzione in serie come parte dell’ALMA Development Plan (probabilmente a partire dal 2018).

  • Studio della chimica delle molecole organiche complesse nello spazio interstellare. Più di 160 specie molecolari sono state rivelate nello spazio (una lista aggiornata è disponibile sul sito: http://www.astrochymist.org/astrochymist_ism.html). Molecole sono osservate nelle atmosfere dei pianeti e satelliti, sulla superficie dei corpi ghiacciati, nelle comete, nelle atmosfere dei pianeti extra-solari, nelle stelle evolute e nel mezzo interstellare. Il mezzo interstellare è lo spazio apparentemente vuoto fra le stelle. Vi sono regioni, note come nubi molecolari, dove la densità è relativamente alta e le molecole si formano e sono preservate. Nelle nubi molecolari, le molecole presenti in fase gassosa possono condensare sulla superficie dei grani formando un rivestimento detto “mantello ghiacciato”. Le nubi molecolari sono il luogo dove si formano le stelle e le molecole organiche complesse originate in queste regioni vengono incorporate nei pianeti, nei satelliti e nelle comete che eventualmente si formano insieme alla stella. Si crede che la maggior parte delle molecole organiche complesse si formino nei mantelli ghiacciati in seguito a reazioni chimiche superficiali e a causa delle modificazioni indotte da fotoni UV e dai raggi cosmici di bassa energia. Le nostre conoscenze sulla formazione ed evoluzione delle molecole nello spazio è principalmente basata su esperimenti di laboratorio. I risultati sperimentali mostrano che molecole complesse possono formarsi in seguito a radiolisi e fotolisi di ghiacci di interesse per l’astrofisica. La maggior parte di questi risultati è basata sulla spettroscopia infrarossa (IR) e spettroscopia Raman. Queste sono tecniche sperimentali ben note che tuttavia hanno sensibilità limitata. ALMA raggiunge valori di sensibilità e risoluzione mai raggiunti in precedenza. Questo sta già fornendo importanti informazioni sulla composizione chimica del gas nelle nubi molecolari permettendo di stabilire il ruolo dei mantelli ghiacciati nella formazione di molecole in seguito ai processi descritti sopra che arricchiscono la fase gassosa in seguito alla sublimazione del mantello stesso. Nell’ambito di questo progetto noi proponiamo di costruire un apparato sperimentale nuovo ed originale per l’analisi con tecniche non convenzionali di ghiacci dopo radiolisi allo scopo di rivelare le specie meno abbondanti che non possono essere rivelate con le tecniche convenzionali. Sulla base della letteratura disponibile non risulta che un simile apparato sperimentale sia operativo in altri laboratori specializzati nello studio dei processi chimici che avvengono nello spazio. Il nuovo apparato sperimentale ci darà la possibilità di studiare “in situ” i processi chimici causati dall’irraggiamento con ioni veloci. I risultati ottenuti daranno un importante contributo alla comprensione dell’origine delle molecole complesse che sono state incorporate nei pianeti, satelliti e comete al momento della formazione del Sistema Solare e che si crede siano i semi che hanno permesso lo sviluppo della vita sulla Terra. La spettroscopia IR e la spettroscopia Raman hanno una sensibilità che permette di rivelare molecole con abbondanza dell’ordine di 10-3 rispetto alle specie iniziali. Per confronto le tecniche di analisi che qui si propongono permettono di analizzare materiali in quantità dell’ordine del femto grammo (cioè 10-15 grammi). Assumendo un limite peggiore anche di tre ordini di grandezza (cioè 10-12 grammi) la nuova strumentazione permetterebbe di rivelare molecole con abbondanza dell’ordine di 10-7 rispetto alle specie originali. Questa sensibilità permetterà un confronto quantitativo con i valori delle nubi molecolari ottenuti con ALMA. Una descrizione dettagliata della strumentazione proposta è data nel WP6.

  • Studio di fattibilita’ per la produzione di energia pulita per ALMA. Uno degli obiettivi di iALMA e’ quello di coinvolgere le imprese nazionali che lavorano nel settore delle energie rinnovabili in uno studio per la produzione di energia pulita per ALMA. Nell’ambito di questo progetto, nel primo anno sara’ commissionato ad una azienda italiana con adeguata competenza del settore uno studio di fattibilita’ dettagliato che includa un’analisi delle possibili soluzioni tecniche, i costi e le tempistiche nonche’ le macro-fasi di realizzazione di un impianto di produzione e accumulo adeguato alla situazione geografica e di utilizzo dell’osservatorio. In base all’esito dello studio di fattibilita’, nel corso del secondo e terzo anno di iALMA verranno investigate le possibilita’ di procedere nelle sedi competenti di ESO ed ALMA ad una fase di disegno dettagliato e realizzazione, anche mediante una indagine delle possibili fonti di finanziamento aggiuntivo per la progettazione e costruzione, ad esempio a livello europeo.

Strettamente connessi agli obiettivi scientifici e tecnologici di iALMA sono: l’alta formazione, la disseminazione dei risultati nella comunita’ scientifica e nel grande pubblico, e lo stretto rapporto con le aziende italiane. L’alta formazione e’ assicurata dallo stretto rapporto tra le sedi INAF afferenti al progetto e gli atenei di Bologna, Catania e Firenze, e dall’attiva partecipazione di docenti al progetto. La disseminazione dei risultati tecnici e scientifici di iALMA nella comunita’ scientifica e tecnologica di riferimento avverra’ con le modalita’ consolidate nel campo astrofisico di pubblicazione dei risultati su riviste internazionali con “referee” e mediante la presentazione dei risultati a convegni internazionali. I partecipanti al progetto iALMA hanno una pluriennale e riconosciuta esperienza e statura internazionale nella pubblicazione e presentazione dei risultati delle proprie ricerche, testimoniati non solo dalle numerose pubblicazioni ad elevato impact factor, ma anche dai numerosi inviti per presentazioni a congressi e presso istituti internazionali. Le attivita’ di formazione previste sono discusse in dettaglio nella parte delle attivita’ del WP2 e riguardano principalmente: l’attivazione di borse per Dottorandi di Ricerca in ciascuna delle sedi universitarie, lo sviluppo in collaborazione con i docenti universitari di cicli di lezioni per gli studenti di Laurea Specialistica, l’organizzazione di una Scuola Nazionale di Astrofisica sulle tematiche di iALMA, e una serie di iniziative indirizzate alla promozione delle tematiche tecnico-scientifiche negli studenti delle scuole superiori. La forte sinergia tra iALMA e l’Ufficio di Comunicazione INAF (WP8) ha come scopo principale quello di predisporre e diffondere materiale didattico-informativo sul progetto e di produrre materiale di adeguata qualita’ per diffondere e promuovere i risultati di iALMA anche nelle sedi competenti al finanziamento e il “policy making” (e.g. Ministeri, Comunita’ Europea, ESO/ALMA).





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Villa fabrizio – refereed journals publication list 2010-2012
Nesti renzo – refereed journals publication list 2010-2013



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