Optical solutions for extreme instrumentation: from ground to space

New generation astronomical instruments have the purpose to enable more and more precise observations of celestial objects. To fulfill the ever increasing requirements posed by new science goals, it is mandatory that the instrument design is developed taking into account the various constraint coming from observing conditions, environment, performance and integration with other instruments and, at the same time, exploiting in the best possible way new technologies and observing techniques. This Thesis describes the optical design activity conducted for the development of three new instruments: JANUS, SHARK and PLATO. All the three instruments are mainly dedicated to planetary science observations, but they are very different in the techniques they will exploitand the environment in which they will operate. JANUS is a visible camera that will be part of the ESA space mission JUICE dedicated to the study of Jupiter and its moons. The camera will operate in space, far from the Earth and in a strong radiation environment caused by charged particles trapped by the magnetic field of Jupiter. SHARK is a coronagraphic high-contrast imager for the Large Binocular Telescope (LBT) dedicated to the direct imaging of exo-planets and proto-planetary disks around nearby stars. PLATO is a space satellite dedicated to the indirect detection of earth-sized exo-planets with the transit method. A brief introduction is given for each instrument, describing their principal characteristics and science objectives, followed by a more detailed description of the optical design and analyses conducted to characterize the performance and ful_llment of the science objectives.

La sfida posta agli strumenti astronomici di nuova generazione è quella di saper produrre dati scientici sempre più accurati, integrando in maniera intelligente i requisiti scientifici, osservativi o ambientali e, allo stesso tempo, che sappiano mettere a frutto tecnologie o tecniche osservative innovative. Questa Tesi descrive le attività di progettazione ottica condotte per lo sviluppo di tre nuovi strumenti: JANUS, SHARK e PLATO. Tutti e tre gli strumenti sono dedicati a osservazioni nel campo delle scienze planetarie, ma presentano caratteristiche estremamente diverse sia nelle tecniche osservative utilizzate che nelle condizioni ambientali in cui opereranno. JANUS è la camera che farà parte della strumentazione di bordo del satellite JUICE, sviluppato da ESA, e che osserverà il sistema di Giove. La camera condurrà osservazioni dettagliate delle atmosfere e delle superfici dei corpi del sistema gioviano in banda visibile estesa e opererà lontano dalla Terra, in un ambiente caratterizzato da forti radiazioni causate dalle particelle cariche intrappolate dal campo magnetico di Giove. SHARK è una camera coronografica per il Large Binocular Telescope, dedicata all'osservazione diretta di eso-pianeti e dischi protoplanetari attorno a stelle vicine al Sole. PLATO è una missione spaziale dell'ESA dedicata all'osservazione indiretta di eso-pianeti attraverso il metodo dei transiti e sarà in grado di osservare pianeti di tipo terrestre orbitanti nella zona abitabile di stelle di tipo solare. Nella Tesi è fornita una descrizione generale delle caratteristiche e degli obiettivi scientifici di ogni strumento, seguita da una descrizione più dettagliata dello sviluppo del disegno ottico di tali strumenti e delle analisi condotte per verificare la capacità di soddisfare i requisiti scientifici.