Realizzazione di un dispositivo analogico per effettuare tracking stellare

Il telescopio è di gran lunga lo strumento più diffuso per effettuare osservazioni astronomiche in banda ottica. Poiché in moltissimi casi i flussi luminosi dei corpi celesti sotto osservazione sono esigui, è necessario l’impiego di tempi di ripresa lunghi (minuti/ore) per poterne registrare la fioca luce. Durante la ripresa occorre puntare costantemente il telescopio all'oggetto inquadrato, il quale è soggetto ad un moto apparente sulla volta celeste causato dalla rotazione della Terra. Per compensare tale moto apparente si fa uso delle montature equatoriali, supporti motorizzati che ruotano gli strumenti di osservazione con velocità uguale e contraria alla rotazione terrestre. Le tolleranze di lavorazione meccanica e di stazionamento delle montature equatoriali determinano un tempo massimo di ripresa oltre il quale si incappa nel “mosso”. Usualmente per superare questa limitazione si retroaziona il sistema tramite un dispositivo (solidale con il telescopio) che effettua il tracking di una stella di riferimento e pilota i motori della montatura per correggere l'inseguimento in caso di derive. La tipologia di autoguida oggi più diffusa si basa su una camera che fotografa la stella guida ad intervalli regolari. Un software analizza immagini riprese in tempi successivi per estrarne gli errori di decentramento e comunica alla montatura del telescopio come correggere il proprio moto in base a tali errori.
In questo lavoro di tesi si è condotto uno studio di fattibilità di un dispositivo di autoguida analogico integrato, funzionante senza l'ausilio di personal computer, per effettuare tracking stellare. Tale dispositivo potrebbe a prima vista apparire anacronistico, ma ciononostante presenta alcuni vantaggi: basso costo, realizzabilità con componenti standard (fotodiodo a quadrante ed amplificatori operazionali), dimensioni contenute unite a bassi consumi energetici e, in virtù della natura analogica del segnale da trattare unita all'ampia dinamica degli amplificatori operazionali, tale dispositivo non necessita di alcuna regolazione.
Lo studio è basato sul fatto che per la maggior parte delle sorgenti utili al tracking si può assumere che la fotocorrente generata nel fotodiodo si può adeguatamente descrivere come un continuo. Ho svolto uno studio della fotocorrente generata dalle stelle fino a magnitudine 20, tenendo conto dell'attenuazione causata dall'atmosfera, dalla funzione di trasferimento del telescopio e della responsività del sensore. Ho quindi applicato un modello per la descrizione del fotodiodo reale, sulla base del quale ho stimato le tensioni generate in funzione della magnitudine della stella guida e delle condizioni operative. Ho quindi studiato i fenomeni che determinano le prestazioni del fotodiodo: sorgenti di rumore (shot noise e rumore Johnson), incidenza dell'inquinamento luminoso, distribuzione delle stelle sulla volta celeste, effetti della rotazione di campo causati da un allineamento non perfetto della montatura del telescopio, relazione tra precisione di tracking e intensità del segnale di decentramento.
Ho progettato e realizzato due prototipi del dispositivo, uno per i test su banco ottico e uno destinato al fuoco diretto del telescopio. Perchè il dispositivo si possa considerare efficiente è opportuno arrivare attorno a magnitudine 7, in modo da disporre mediamente di una stella guida per grado quadrato di cielo. I prototipi si sono dimostrati meno sensibili del previsto, riuscendo ad effettuare il tracking su un numero limitato di stelle. La carenza di sensibilità va ricercata primariamente nella scelta non ottimale del fotodiodo: nei prototipi si è preferito montare un sensore che favorisse la praticità di utilizzo nei test a scapito della magnitudine limite raggiungibile. In secondo luogo gli amplificatori operazionali utilizzati si sono dimostrati non sufficientemente sensibili alle basse tensioni generate dal sistema. Per motivi di tempo non si è realizzato un terzo prototipo, ma si sono identificati componenti più opportuni disponibili sul mercato per risolvere gran parte delle problematiche riscontrate.