Very fast photon counting photometers for astronomical applications

The topics treated in this thesis are the design, the integration and the use of the ultra-fast single photon photometer IQuEYE (Italian Quantum Eye). The implementation of this instrument represents an important step in a project, initiated in 2005, for the realization of a Quantum Photometer (QuantEYE) for the telescope EELT (European Extremely Large Telescope) of 42 meters in diameter, now under construction, which is scheduled for completion in 2018. Such an instrument would represent a breakthrough in observational Astronomy and it would allow extending the knowledge gained from theoretical and experimental Quantum Optics to the Astrophysics. QuantEYE is designed to extract from the light collected the information enclosed in the statistical distribution of photons through spatial and temporal analysis of the correlation functions of order higher than first, beyond the capability of "classics" instrumentation. The instrument described in this thesis, IQuEYE, is a prototype for NTT (ESO New Technology Telescope). It is essentially a fixed aperture photometer that collects light within a field of view of few arcseconds, dividing the telescope light beam into four equal parts, and focuses each sub-beam on an independent single photon-counting diode SPAD. The innovative photon time-tagging system is based on a rubidium atomic clock, corrected on long time scale the by means of a GPS signal. This system allows the identification of each photon with a relative precision better than 100ps and an absolute UTC precision of 500ps for an hour of observation. The instrument can identify in this way up to eight million photons per second, that means IQuEYE is able to sustain flows of photons up to a maximum rate of 8MHz. All arrival times, digitized at 25ps, are stored, in this way post-processing analysis and data reprocessing in time are allowed. The first part of the thesis is devoted to the detailed description of the instrument, starting from design phase, with particular attention for opto-mecanics, to its integration. IQuEYE is now fully operative and has already been used in three ob-servation campaigns at La Silla (Chile) during the months of January and December 2009 and July-August 2010. The thesis then collects the results of some observations performed and presents them in its second part, with the aim of demonstrating the potential of the instrument. So a brief description of a first experiment for the feasibility of intensity interferometry is given. Moreover the observation of an exoplanetary transit which allows us to double the accuracy in determining the period of mid-transit, is described. Finally the results for the observation of rapidly varying objects (three optical pulsars) are exposed, together with some analysis tools developed specifically for our data. The acquired data have an excellent quality. Through their analysis the best determination of the Crab pulsar (PSR B0531 +21) period was achieved. Furthermore the optical light curves for PSR B0833-45 (weak pulsar in the Vela constellation, at the limits of visibility for NTT) and B0540-69. In this way the validity of IQuEYE in HTRA High Time Resolution Astronomy has been demonstrated.

Gli argomenti trattati in questa tesi sono la progettazione, l’integrazione e l’utilizzo del fotometro ultrarapido a conteggio di singolo fotone IQuEYE (Italian Quantum Eye). L’implementazione di questo strumento rappresenta un passo fondamentale in un progetto avviato nel 2005 che mira alla realizzazione di un fotometro quantistico, QuantEYE, per il telescopio EELT (European Extremely Large Telescope) di 42 metri di diametro, oggi in fase di costruzione, la cui ultimazione è prevista per il 2018. Un tale strumento rappresenterebbe una svolta nell’astronomia osservativa, permettendo di estendere le conoscenze sviluppate nell’ambito dell’ottica quantistica teorica e sperimentale all’ambito astrofisico. QuantEYE è progettato per estrarre dalla luce raccolta le informazioni contenute nella statistica di distribuzione spaziale e temporale dei fotoni mediante l’analisi delle funzioni di correlazione di ordine superiore al primo, limite al quale si fermano gli strumenti astronomici “classici”. Lo strumento descritto nella presente tesi, IQuEYE, è un prototipo destinato all’uso su NTT (ESO New Technology Telescope). Si tratta essenzialmente di un contatore di singoli fotoni progettato per raccogliere la luce suddividendo la pupilla del telescopio attraverso quattro canali indipendenti che utilizzano dei rivelatori di tipo SPAD. L’innovativo sistema di etichettatura temporale dei fotoni rilevati si basa su un orologio atomico al rubidio, per corregere la deriva del quale viene usato un segnale GPS interpolato su lunga scala temporale. Tale sistema permette di identificare ogni fotone con una precisione relativa migliore di 100ps ed una precisione assoluta riferita ad UTC di 500ps per un’ora di osservazione. Lo strumento è in grado identificare in questo modo fino ad otto milioni di fotoni al secondo, cioè di sostenere flussi di fotoni fino ad un limite massimo di 8MHz. Tutti i tempi di arrivo, digitalizzati a 25ps, vengono salvati e permettono l’analisi differita e la rielaborazione nel tempo. La prima parte della tesi è dedicata alla descrizione dettagliata dello strumento, a partire dalla fase di progettazione, il disegno optomeccanico, fino alla sua integrazione. IQuEYE è oggi perfettamente funzionante ed è stato già utilizzato in tre campagne osservative a La Silla (Cile) durante i mesi di gennaio e dicembre 2009 e luglio-agosto 2010. La tesi raccoglie quindi i risultati di alcune delle osservazioni effettuate e li presenta nella seconda parte, con l’intento di dimostrare le potenzialità dello strumento. Vengono descritti sommariamente un primo esperimento di fattibilità per l’interferometria di intensità e l’osservazione di un transito esoplanetario che permette di raddoppiare la precisione nella determinazione del periodo di metà transito rispetto agli strumenti utilizzati da altri autori. Per finire sono esposti i risultati ottenuti nell’osservazione di oggetti rapidamente variabili, tre pulsar ottiche, e alcuni strumenti di analisi dati sviluppati specificatamente. I dati acquisiti hanno una qualità eccellente e hanno permesso di ottenere la miglior determinazione mai conseguita del periodo di pulsazione per PSR B0531+21 (la pulsar della nebulosa del Granchio). Sono inoltre state ricavate le prime curve di luce ottiche da decenni a questa parte per PSR B0833-45 (debole pulsar nella costellazione della Vela, ai limiti di visibilità per NTT) e per B0540-69. In questo modo la validità di IQuEYE nell’ambito dell’astronomia ad alta risoluzione temporale è stata ampiamente dimostrata.