Exoplanets through extreme optics: from PLATO to SHARK-NIR

In the last years, the Observatory of Padova (Istituto Nazionale di Astrofisica – Osservatorio Astronomico di Padova) and the University of Padova have been involved massively in projects dedicated to the exoplanets search, both ground, and space-based. SHARK-NIR, the acronym of “System for coronagraphy with High order Adaptive optics from R to K band – Near-Infrared”, is an instrument designed to search and characterize the young exo-planetary system and star-forming regions in the NIR domain, in coronagraphic direct imaging and spectroscopic mode. It has been selected for the 2nd generation Large Binocular Telescope (LBT) instruments, and it will take advantage of the excellent performance of the LBT adaptive optics system, which is delivering an eXtreme Adaptive Optics (XAO) correction, necessary for SHARK-NIR to achieve the best possible coronagraphic performance, which is mandatory to detect faint planets orbiting around bright stars. CHEOPS, the acronym of “CHaracterising ExOPlanet Satellite”, is the first mission dedicated to the characterization of small-size transiting planets using ultrahigh precision photometry on bright stars already known to host planets. It will allow an accurate determination of the radii of transiting planets, for which the mass has already measured from ground-based spectroscopic surveys. It will also provide precision radii for new planets discovered by the next generation of ground-based transits surveys (Neptune-size and smaller). PLATO, the acronym of “PLAnetary Transits and Oscillations of stars”, is a mission of Medium size satellites proposed for the European Space Agency in the program “Cosmic Vision”, with the target to detect and characterize exoplanets utilizing their transit on a bright star. The overall instrumental layout proposed by the Plato Payload Consortium consists of a multi-telescope concept instrument, composed by several tens of telescope units, for which it has developed an all-refractive optical solution. These devices are characterized by a very large Field of View (more than 20 degrees on one side) with an optical quality that fits most of the energy into a single sensor pixel. Such a goal can be achieved in a variety of solutions, some including aspheric elements as well. The activities concerning my Ph.D. have been exploited both in the framework of the space projects and in the field of ground instrumentation. For the PLATO project, I participated in the Assembly, Integration, and Verification (AIV) of the Telescope Optical Unit prototype, to validate the AIV procedure and the telescope optical performance in-flight conditions. Concerning SHARK, my activity has been performing optical alignment and qualification of the instrument.

L’Osservatorio di Padova (Istituto Nazionale di Astrofisica) e l’Università di Padova negli ultimi anni sono stati coinvolti massicciamente in progetti dedicati alla ricerca di pianeti extrasolari, sia con strumenti e telescopi da terra che dallo spazio. SHARK-NIR, che sta per “System for coronagraphy with High order Adaptive optics from R to K band – Near-Infrared”, è uno strumento disegnato per cercare e caratterizzare sistemi solari giovani e regioni di formazione stellare nel dominio di lunghezze d’onda del vicino infrarosso. La tecnica devota all’osservazione è quella spettroscopica e dell’immagine diretta. Questo strumento ottico è stato selezionato per la seconda generazione di dispositivi per il Large Binocular Telescope (LBT), con il vantaggio di sfruttare le eccellenti prestazioni del sistema di ottica adattiva di LBT. La correzione di ottica attiva estrema di LBT (XAO), è il requisito necessario di SHARK-NIR per ottenere la migliore cronografia attualmente disponibile con LBT ed è obbligatoria quando l’obiettivo è studiare pianeti poco luminosi che orbitano attorno a stelle brillanti. CHEOPS, che sta per “CHaracterising ExOPlanet Satellite”, è la prima missione spaziale dedicata alla caratterizzazione di piccoli pianeti già noti attorno a stelle brillanti tramite fotometria ad altissima precisione. Si otterranno accurate misure del raggio dei pianeti per i quali la massa è già nota da campagne spettroscopiche con telescopi da terra. Inoltre si conosceranno con precisione i raggi dei nuovi pianeti scoperti dalle campagne di osservazione da terra di nuova generazione basate sulla tecnica dei transiti, fino a pianeti di dimensioni di Nettuno o inferiori. PLATO, che sta per “PLAnetary Transits and Oscillations of stars”, è una missione proposta per il programma di nuovi satelliti di medie dimensioni “Cosmic Vision” dell’Agenzia Spaziale Europea. Il telescopio è focalizzato alla ricerca e caratterizzazione di eso-pianeti attorno a stelle brillanti e vicine al nostro Sole. Il progetto proposto dal consorzio PLATO consiste in un telescopio multiplo, composto da decine di telescopi singoli uguali, per i quali si è sviluppata una soluzione ottica totalmente rifrattiva. Ogni singolo telescopio ha un grande campo di vista (fino a 20 gradi) e una qualità ottica tale da concentrare la maggior parte dell’energia raccolta in un singolo elemento del sensore di immagini. Un tale scopo è raggiungibile applicando una molteplicità di soluzioni, tra cui anche l’uso di elementi ottici asferici. In questa tesi descriverò le attività svolte sia nell’ambito di un progetto spaziale che di uno strumento per telescopio a terra. Il progetto PLATO è stato trattato nell’ambito dell’integrazione, assemblaggio e verifica (AIV) del prototipo della singola unità ottica del telescopio, allo scopo di validare la procedura completa di AIV e le prestazioni in condizioni di volo. Riguardo lo strumento SHARK-NIR si spiegheranno le attività svolte per l’allineamento ottico e la qualificazione finale.