Parametric study for high resolution astronomical spectroscopy towards the extremely large telescopes class

This thesis in mainly focused on the development of a paraxial model for the parametric study of the fibre fed echelle cross-dispersed HIgh REsolution Spectrograph (HIRES); the architecture investigated is the one which uses the optical fibres to dice the pupil of the 39 m diameter of the future European Extremely Large Telescope (the E- ELT). In addition the innovative multi-mini prisms system, fundamental for the correct illumination of the echelle mosaic of the Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations(ESPRESSO), is optimized. The extremely large light collecting power of the E-ELT telescope will enable to perform ambitious research programs covering a wide range of the most outstanding topics in astrophysics: exoplanets, stellar evolution, evolution of cosmic structures, fundamental constants variation and accelerated Universe expansion. Specific scientific and instrument requirements, related to the different scientific cases, have been pointed out by the HIRES Initiative working group. In particular the high resolving power and wavelength coverage are considered in the paraxial model of the preliminary spectrograph concept, which is a modular architecture constituted by different independent spectrometers optimized for di erent wavelength bands. The main components are modelled considering their proper and specific relations and aspects. In particular the dispersion and diffraction effects of the echelle grating and the cross disperser are modelled and exploited to evaluate the distribution of the echellogramm spectra on the detector surface. The paraxial model is verified through a comparison with a numerical model developed with the ray tracing software Zemax. The main peculiarity of the telescope-spectrograph system is pointed out: due to the extremely large telescope pupil and the etendue conservation the number of fibres needed to keep the size of the instrument within feasible limits is such that at least two detectors for each band are required to record the image of the whole echellogramm. The parametric analysis of the spectrograph allows to evaluate and to understand the sensitivity of the outputs with respect to the selected varying inputs. An optimization of the different spectrometers is performed with the goal of echelle grating mosaic minimization coupled with the maximization of the echellogramm area keeping the number of detector as low as possible. Then the optimization of the different modules leads to a different architecture with respect to the preliminary concept. For what concern the multi-mini prisms system, which is placed at the ESPRESSO spectrograph entrance after the Anamorphic Pupil Slicer Unit (APSU), the optimization consists in the reduction of the different prisms configurations in term of wedge angle keeping the throughput on the echelle mosaic above a specific threshold.

Questo lavoro di tesi è principalmente focalizzato nello sviluppo di un modello parassiale per lo studio parametrico di High Resolution spectro- graph (HIRES, spettroscopio ad alta risoluzione), spettrografo echelle con dispersione incrociata e iniezione a fibra; l’ achitettura investigata è quella che prevede l’ uso di fibre ottiche per tagliare la pupilla del futuro telescopio europeo European Extremely Large Telescope (E-ELT) dal diametro di 39 metri. In aggiunta l’ innovativo sistema a multi-mini prismi, fondamentale per la corretta illuminazione del mosaico echelle del Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations (ESPRESSO, spettrografo echelle per esopianeti rocciosi e osservazioni spettroscopiche stabili), è stato ottimizzato. L’ elevatissimo potere di raccolta della luce del telescopio E-ELT permetterà di svolgere ambiziosi programmi di ricerca scientifica coprendo un’ ampia gamma di alcuni fra i più rilevanti argomenti di astrofisica: esopianeti, evoluzione stellare, evoluzione delle strutture cosmiche, variazione delle costanti fondamentali e espansione accelerata dell’ Universo. Specifici requisiti scientifici e strumentali, relativi ai diversi casi di indagine scientifica, sono stati inidicati dal gruppo di lavoro HIRES Initiative. In particolare l’ elevato potere di risoluzione e lo spettro di lunghezze d’ onda da coprire sono stati considerati nel modello parassiale del concetto preliminare dello spettrografo, il quale prevede un’ architettura modulare costituita da diversi spettrometri indipendenti ottimizzati per differenti intervalli di lunghezza d’ onda. I componenti prinicipali sono modellati considerando le proprie e specifiche relazioni. In particolare gli effetti di dispersione e diffrazione del reticolo echelle e del dispersore incrociato sono modellati e sfruttati per valutare la distribuzione degli spettri sulla superficie del detector. La verifica del modello parametrico è avvenuta attraverso la comparazione con un modello numerico sviluppato con il software ottico Zemax. Viene sottolineata la pricipale peculiarità del sistema telescopio-spettrografo: a causa della dimensione eccezionalmente grande della pupilla e della conservazione dell’ etendue (flusso di radiazione) il numero di fibre necessario per mantenere le dimensioni dello strumento entro limiti accettabili è tale per cui almeno due rilevatori per ogni banda sono necessari per registrare l’ immagine di tutti gli spettri. L’ analisi parametrica dello spettrografo permette di valutare e capire la sensistività che i parametri di output hanno rispetto alle variaibili di ingresso selezionate. L’ ottimizzazione dei differenti spettrografi ha l’ obbiettivo di minimizzare il mosaico di reticoli echelle e la massimizzazione dell’ area coperta dagli spettri mantenendo il numero di rilevatori il più basso possibile. Mentre l’ ottimizzazione dei differenti moduli porta ad una architettura diversa rispetto a quella concettuale preliminare. Per quanto concerne il sistema a multi-mini prismi, che è posto all’ ingresso dello spettrografo subito dopo l’ unità di taglio anamorfico della pupilla (APSU), l’ ottimizzazione consiste nella riduzione del numero di diverse configurazioni dei prismi in termini dell’ angolo di inclinazione mantenendo l’ intensità di illuminazione del mosaico echelle sopra una specifica soglia.