Interferometria di intensita` con il Mini-Array ASTRI - 'SII - PROGRESS-II'
SII
Programma
Progetto
Laboratorio
RSN2
RSN4
RSN5
Attività: In Itinere; Data inizio: 2019; Data fine: 2026
luca.zampieri luca.zampieri@oapd.inaf.it
Per la prima volta siamo in grado di produrre immagini di stelle luminose nel visibile ad altissima risoluzione angolare (inferiori a 100 microarcsec) utilizzando una tecnica nota come interferometria di intensità. Questa capacità aprirà frontiere senza precedenti in alcuni delle principali aree dell'astrofisica delle stelle. All'inizio del 2019 la Collaborazione INAF ASTRI ha approvato lo sviluppo di una modalità di osservazione di questo tipo con uno strumento dedicato (ASTRI Stellar Intensity Interferometry Instrument, SI3) montato sui telescopi del Mini-Array. Questo progetto è finalizzato alla realizzazione ed utilizzo scientifico di questo strumento, ed è strettamente correlato al progetto ASTRI e alle attività previste nell'ambito della scheda PROGRESS.
For the first time, we are in a position to image bright stars in the visible light waveband at very high angular resolution (below 100 microarcsec) using a technique known as intensity interferometry. This capability will open up unprecedented frontiers in some of the major topics in stellar astrophysics. Since the beginning of 2019 also the INAF ASTRI Collaboration endorses the development of a stellar intensity interferometry observing mode through a dedicated instrument (ASTRI Stellar Intensity Interferometry Instrument, SI3) mounted on the telescopes of the Mini-Array. This project is devoted to the realization and scientific utilization of this instrument, and is strictly related to the ASTRI project and to the activities envisaged within the framework of 'scheda PROGRESS'.
Struttura ed evoluzione stellare, incluse le fasi finali
Tecnologie per Astronomia Ottica ed Infrarossa
Infrastrutture da Terra (utilizzo)
Struttura | Nfte | N0 | TI 2024 | TI 2025 | TI 2026 | TD 2024 | TD 2025 | TD 2026 | Nex | Extra |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
O.A. PADOVA | 7 | 0 | 1.05 | 1.05 | 1.05 | 0.90 | 1.15 | 1.15 | 2 | 0.20 |
O.A. CATANIA | 4 | 0 | 0.60 | 0.60 | 0.60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00 |
IASF PALERMO | 1 | 0 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00 |
OAS BOLOGNA | 1 | 0 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00 |
Totali | 13 | 0 | 1.95 | 1.95 | 1.95 | 0.90 | 1.15 | 1.15 | 2 | 0.20 |
# | Struttura | TI 2024 | TI 2025 | TI 2026 | TD 2024 | TD 2025 | TD 2026 | Extra |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | O.A. PADOVA | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0 | 0 | 0 | 0.00 |
2 | Osservatorio Astrofisico di Catania | 0 | 0 | 0 | 0.30 | 0.30 | 0.30 | 0.00 |
3 | Retired | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.00 |
Totali | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.30 | 0.30 | 0.30 | 0.00 |
Certi 2024 | Certi 2025 | Certi 2026 | Presunti 2024 | Presunti 2025 | Presunti 2026 |
---|---|---|---|---|---|
341.0 | 232.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
Astronomical Instrumentation: Interferometers, Photometers;
Computational astronomy: Astronomy data analysis, Astronomy software, Computational methods;
High time resolution astrophysics, Interferometry: Long baseline interferometry;
Stellar astronomy: Circumstellar matter;
Stellar Physics: Starspots, Stellar atmospheres, Stellar evolution, Stellar granulation, Stellar phenomena, Stellar processes, Stellar properties, Stellar structures, Stellar winds
==>> Scheda collegata: 'Fast Photon Counting Optical Astronomy with Aqueye+ and Iqueye' (FPC-OA), 'Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing - PNRR M4C2 I1.4 CN_00000013' (CN-HPC)
Attualmente è in corso un grandissimo sforzo per implementare l'interferometria di intensità su telescopi separati da distanze dell'ordine del km e su array di telescopi Cherenkov. Nonostante la limitata area degli specchi, il Mini-Array ASTRI fornirà un'installazione ideale per fare imaging di stelle brillanti attraverso l'interferometria di intensità grazie alle capacità offerte dai suoi 9 telescopi, che forniscono 36 baselines simultanee su distanze comprese tra 100 m e 700 m. Questa capacità sarà superata solo con la piena realizzazione del Cherenkov Telescope Array. Con l'implementazione del progetto ASTRI SI3 INAF è all'avanguardia in questo settore e sta gettando le basi per diventare un Istituto leader a livello mondiale per lo sviluppo tecnologico e scientifico dell'interferometria di intensità stellare. Questo ruolo e` stato ulteriormente rafforzato dallla recente aggiudicazione di fondi del PNRR (CTA+ e Centro Nazionale HPC) per lo sviluppo della strumentazione e degli algoritmi di analisi dati.
ASTRI Mini-Array; Telescopio ASTRI Horn di Serra La Nave; Telescopio Copernico di Asiago; Laboratorio ASTRI-AQUEYE di Asiago (Cima Ekar)
L'imaging di un oggetto celeste è sempre stato un obiettivo primario in Astronomia, poiché gran parte della nostra comprensione dipende dalla nostra capacità di risolverlo, misurarne le dimensioni e determinarne la struttura spaziale. Risoluzioni angolari inferiori a 100 microarcsec (μas) sono oggi ottenibili con l'interferometria di intensità, utilizzando telescopi ad ampia area di raccolta separati da baseline di centinaia o migliaia di metri. Questa capacità aprirà frontiere senza precedenti in alcuni delle principali aree dell'astrofisica stellare. Solo per citare alcuni esempi, misurare la forma di un certo numero di stelle con una risoluzione di ~ 100μas (incluse stelle di sequenza principale) fornirà il loro schiacciamento e consentirà misure dirette della loro velocità di rotazione, estendendo nella banda visibile il campione ancora limitato di misure raccolte nell'infrarosso con CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy; Che et al. 2011, ApJ, 732, 68; Monnier et al. 2014, Resolving The Future Of Astronomy With Long-Baseline Interferometry, 487, 137). L'imaging con questa risoluzione potrà anche consentire di rivelare l'esistenza di eventuali macchie o altre caratteristiche superficiali (Nuñez et al. 2012, MNRAS, 424, 1006), oppure la presenza di dischi o materiale circumstellare (Kloppenborg et al. 2010, Nature 464, 870).
Con questo progetto ci proponiamo di effettuare misure di interferometria di intensità e determinare la correlazione spaziale dell'intensità della radiazione emessa da una stella utilizzando il Mini-Array ASTRI. Hanbury Brown e Twiss hanno applicato con successo questa tecnica all'Astronomia derivando il diametro angolare di un certo numero di stelle (Hanbury Brown et al. 1974, MNRAS, 167, 121). La misura della correlazione può essere eseguita utilizzando le fluttuazioni continue dell'intensità ('analog SII', come nell'interferometro di Narrabri; Hanbury Brown 1974, London: Taylor & Francis, 1974), le fluttuazioni discrete di intensità ('digital SII', come negli interferometri VERITAS -- Abeysekara et al. 2020, Nature Astronomy, 4, 1164 -- e MAGIC -- Acciari et al. 2020, MNRAS, 491, 1540; Abe et al. 2024, MNRAS, in press --), oppure i tempi di arrivo dei fotoni ('photon counting SII'; come nell'esperimento dell'interferometro di Asiago; Zampieri et al. 2021, MNRAS, 506, 1585). Noi adotteremo quest'ultimo approccio, che si basa sul conteggio delle coincidenze nei tempi di arrivo dei fotoni misurati con due telescopi e sfrutta interamente le proprietà quantistiche della luce emessa da una stella.
Per realizzare queste misure sarà necessario la realizzazione di un apposito strumento, denominato Stellar Intensity Interferometry Instrument (SI3; Zampieri et al. 2022, SPIE, 12183, id. 121830). Si tratta di uno strumento a conteggio veloce di fotoni, progettato per eseguire misure accurate del tempo di arrivo di un singolo fotone (1 ns) in una finestra stretta in lunghezza d'onda (1-8 nm), centrata nell'intervallo 420-500 nm. Lo strumento sarà posizionato di fronte alla camera Cherenkov dei telescopi ASTRI nelle notti intorno a Luna Piena, quando non verranno effettuate osservazioni in luce Cherenkov.
Il Mini-Array ASTRI offrirà molte baseline diverse per eseguire misure simultanee della correlazione su un esteso intervallo di distanze (100-700 m) e lungo varie direzioni. Misure 2-D di questo tipo consentiranno di effettuare una ricostruzione dell'immagine mediante classiche tecniche interferometriche. La capacità di risoluzione teorica ottenibile con queste baseline è impressionante, consentendo potenzialmente di raggiungere una risoluzione angolare inferiore a 100 microarcsec.
A scopo illustrativo, mostriamo nella figura sottostante una misura del grado di coerenza g(2) in funzione della baseline dei vari telescopi del Mini-Array per un'osservazione simulata della stella HD 68273 (gam02 Vel; V = 1.8, O7.5III-V), con un diametro angolare stimato di 430 microarcosecondi. I punti arancioni rappresentano le misure simulate per una intera notte di osservazione, mentre la linea blu indica il fit con un disco uniforme. Il raggio che si ricava dal fit è pari a 432+/-0.009 microarcosecondi, con una accuratezza statistica di circa il 2%. Sarà quindi possibile fare misure angolari di stelle ben al di sotto del millisecondo d'arco. Con questo livello di risoluzione ed accuratezza sarà anche possibile discriminare la presenza di strutture macchie superficiali (utilizzando la densa copertura del piano U-V) e come esse evolvono nel tempo. Una simulazione simile per una notte di osservazione (a grande elongazione dalla Luna) di una stella decisamente più debole, HD 42560 (ksi Ori; V = 4.5, B3), con un diametro
di 220 microarcosecondi, mostra che, grazie all'utilizzo simultaneo di tutte e 36 le baselines del Mini-Array, il raggio può essere determinato anche a questo livello di magnitudine con un errore di circa l'10%.
Il design dello strumento e` stato rivisto durante il 2023, con la rimozione dell'elettronica di rivelazione dal piano focale e l'introduzione di una fibra ottica (versione 2). Attualmente l'attività è focalizzata sulla realizzazione del primo prototipo dello strumento ASTRI SI3 che verrà installato sul Mini-Array. I principali risultati raggiunti sono di natura tecnologica e sono legati alle attività sinora intraprese. Essi sono ben riassunti in un certo numero di lavori e/o contributi presentati a conferenze (Zampieri et al. 2022, SPIE, 12183, id. 121830; Bonanno et al. 2022, SPIE, 12183, id. 1218322; Bonanno et al. 2023, Sensors, 23, id. 9840; Spolon et al. 2024, SPIE, 12996, in press; Zampieri et al. 2024, SPIE, 13095, in preparation)
Il team di ricercatori e tecnologi che sta maggiormente contribuendo alla realizzazione di ASTRI SI3 è elencato nello schema sotto riportato, suddiviso nelle aree di attività descritte al punto 18. Esso comprende persone aventi una riconosciuta competenza non solo nel campo dell'interferometria di intensità, ma anche nella aree tecnologiche coinvolte nella realizzazione dello strumento (ottica, elettronica, meccanica). Il team è strutturato come un Work Package nell'ambito del progetto ASTRI, con incontri regolari che vengono tenuti tra tutti i membri del team ed incontri dedicati tra sottogruppi tematici. Le sedi INAF maggiormente coinvolte in termini di FTE dedicati a questo progetto sono l'Osservatorio di Padova, l'Osservatorio di Catania, lo IASF di Palermo e l'OAS di Bologna. Il team è in stretto contatto con ricercatori di altri istituti nazionali ed internazionali e con i Working Groups di altri progetti di interferometria di intensità (MAGIC, VERITAS, HESS, CTA) per la simulazione di casi scientifici e la selezione di targets interessanti.
Attualmente siamo nella fase di predisposizione delle simulazioni scientifiche e di sviluppo prototipale dello strumento ASTRI SI3. Ogni funzione dello strumento è associata ad uno specifico sottosistema, come mostrato nel product tree nella figura sotto riportata, che contiene la product breakdown structure dell'intero progetto.
Le osservazioni con lo strumento SI3 montato sui telescopi dell'array verranno utilizzate per determinare il grado di coerenza (correlazione) spaziale e temporale di una stella. Misure simultanee con le 36 baselines disponibili consentiranno di effettuare ricostruzione dell'immagine mediante tecniche interferometriche. Una significativa parte della riduzione e dell'analisi scientifica dei dati sarà fatta attraverso lo svilupppo di pipeline dedicate, che sono parte delle attività previste nel blocco di science data processing in figura e che sono svolte da un figura dedicata (Assegno di Ricerca finanziato su fondi del PNRR Centro Nazionale HPC).
Il progetto è allo stadio della realizzazione del primo prototipo. Una versione prototipale del detector e dell'elettronica di front-end e` gia stata realizzata e testata a Catania. L'ottica di piano focale e` in fase di assemblaggio in un laboratorio dedicato (laboratorio ASTRI-AQUEYE, realizzato nel corso del 2022) che si trova nella sede di Cima Ekar dell'Osservatorio di Padova. Nello stesso laboratorio e` gia` stata assemblata la prima versione dell'elettronica di back-end che e` attualmente in fase di test e verifica. Si prevede di completare la realizzazione ed integrazione in laboratorio del primo prototipo completo dello strumento entro la fine di Giugno del 2024 e di iniziare l'assemblaggio dei primi strumenti ai telescopi ASTRI nella seconda parte del 2024 (la programmazione ha subito un ulteriore ritardo quantificabile in circa 12 mesi a causa di problemi nel procurement dei componenti e per la gestione delle attivita` connesse all'avvio dei progetti PNRR). Il prototipo ed i suoi sottosistemi verranno inizialmente testati al telescopio ASTRI Horn di Serra La Nave e al telescopio Copernico di Asiago. Dal punto di vista scientifico, le attività di simulazione sono iniziate nelle seconda metà del 2021 e proseguono tutt'ora. Si prevede di completare la selezione dei targets e di iniziare la definizione dei principali programmi scientifici entro la fine del 2024. A tal fine, nel 2022 sono state intraprese specifiche attività (seminari di presentazione, partecipazione a conferenze, riunioni dedicate) per un più ampio coinvolgimento dei ricercatori INAF del raggruppamento 2 e della comunità italiana (e internazionale) che si occupa di struttura ed evoluzione stellare. Tali attivita` proseguiranno nel 2024.
L'attività di sviluppo tecnologico preparatoria è descritta in dettaglio nella documentazione tecnica predisposta per la preliminary design review. Si tratta di tre documenti che descrivono il contesto ed i requisiti scientifici dello strumento (ASTRI Mini-Array Stellar Intensity Interferometry Instrument Science Requirements: ASTRI-INAF-SCI-7400-001), i requisiti di progettazione e il primo baseline design selezionato (ASTRI Mini-Array Stellar Intensity Interferometry Instrument Conceptual Design Document: ASTRI-DES-7400-001), ed i requisiti di dettaglio e la product breakdown structure del sistema (ASTRI Mini-Array Stellar Intensity Interferometry Instrument Requirements Specifications, ASTRI-INAF-SPE-7400-002). Tutti i documenti sono disponibili nel database Redmine del progetto ASTRI. La produzione tecnologica è stata accompagnata da presentazioni a conferenze, dalla pubblicazione dei relativi contributi su Proceedings e dalla pubblicazioni di articoli (Zampieri et al. 2022, SPIE, 12183, id. 121830; Bonanno et al. 2022, SPIE, 12183, id. 1218322; Bonanno et al. 2023, Sensors, 23, id. 9840; Zampieri et al. 2024, SPIE, 13095, in preparation). La produzione di simulazioni scientifiche è iniziata nella seconda metà del 2021 e proseguirà per tutto il 2024. Come parte di questa attivita` abbiamo recentemente pubblicato una dettagliata analisi dell'accuratezza della misura di diametri angolari di stelle ottenibile con moderne osservazioni di interferometria di intensita` (Fiori et al. 2022, A&A, 666, id. A48) ed un resoconto delle attivita` previste per l'implementazione del software di analisi dati (Spolon et al. 2024, SPIE, 12996, in press). In futuro l'analisi scientifica delle simulazioni e le relative pubblicazioni saranno realizzati con un maggiore coinvolgimento di altri ricercatori INAF del raggruppamento 2 e con altri ricercatori di istituti nazionali ed internazionali.
Dal punto di vista tecnologico, la maggior parte delle competenze necessarie per la fase di progettazione, realizzazione e test dell'intero prototipo dello strumento sono disponibili all'interno del team. Le aree precedentemente scoperte (sviluppo del software di acquisizione e di simulazione/analisi scientifica) sono state allocate.
Lo sviluppo del software di simulazione e delle pipeline di riduzione/analisi dati (science data processing) e le attività previse per la fase di AIV sono assegnate ad un Tecnologo a tempo determinato e ad un assegnista INAF attraverso risorse finanziarie garantite da due progetti PNRR (CTA+ e Centro Nazionale HPC). Per la fase piu` complessa di sviluppo ed ottimizzazione dei codici di simulazione ed analisi abbiamo acquisito risorse per harware dedicato attraverso un Mini Grant INAF (PI: M. Fiori). In previsione di una eventuale futura implementazione della nostra strumentazione sui telescopi del Cherenkov Telescope Array, tra la fine del 2024 e l'inizio del 2025 si prevede di inizare anche lo studio di una versione dello strumento modificata per il piano focale dei Medium e Large Size Telescopes. A tal fine verra` sottomesssa una richiesta di finanziamento dedicata per un Mini Grant INAF (PI: M. Fiori).
In questa fase del progetto le simulazioni che hanno guidato lo sviluppo tecnologico sono state fatte sulla base dei risultati e delle infomazioni raccolti nell'esperimento pilota di interferometria di intensità di Asiago (Zampieri et al. 2021; vedi scheda 'Fast Photon Counting Optical Astronomy with Aqueye+ and Iqueye', FPC-OA). Un frazione significativa dei ricercatori che hanno condotto l'esperimento fanno parte di questo team (incluso il PI). Nella seconda fase del progetto, iniziata dalla seconda metà del 2021, si prevede una estensione delle attività in quest'area per una più precisa definzione dei casi scientifici ed una più accurata selezione dei targets di interesse. In questa fase continua ad essere importante stimolare un maggiore e più ampio coinvolgimento dei ricercatori INAF del raggruppamento 2 e della comunità italiana (e internazionale) che si occupa di struttura ed evoluzione stellare.
# | Nome | Struttura | TI | Qualifica | Ruolo nel Progetto | FTE Accertate (2024/2025/2026) | FTE Presunte (2024/2025/2026) | Extra | ||
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1 | luca.zampieri | luca.zampieri@oapd.inaf.it | O.A. PADOVA | Y | DIRIGENTE DI RICERCA | Coordinamento, simulazioni scientifiche, sviluppo tecnologico | X X X | X X X | X |
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2 | luigi.lessio | luigi.lessio@inaf.it | O.A. PADOVA | Y | C.T.E.R. | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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3 | lorenzo.paoletti | lorenzo.paoletti@oapd.inaf.it | O.A. PADOVA | Y | TECNOLOGO | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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4 | claudio.pernechele | claudio.pernechele@inaf.it | O.A. PADOVA | Y | DIRIGENTE DI RICERCA | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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5 | pietro.bruno | pietro.bruno@inaf.it | O.A. CATANIA | Y | C.T.E.R. | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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6 | alessandro.grillo | alessandro.grillo@inaf.it | O.A. CATANIA | Y | TECNOLOGO | Sviluppo tecnologico | X X X | X X X | X |
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7 | giuseppe.romeo | giuseppe.romeo@inaf.it | O.A. CATANIA | Y | RICERCATORE | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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8 | maria.timpanaro | maria.timpanaro@inaf.it | O.A. CATANIA | Y | C.T.E.R. | Sviluppo tecnologico | X X X | X X X | X |
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9 | carmelo.gargano | carmelo.gargano@ifc.inaf.it | IASF PALERMO | Y | TECNOLOGO | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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10 | gabriele.rodeghiero | gabriele.rodeghiero@inaf.it | OAS BOLOGNA | Y | TECNOLOGO | Sviluppo tecnologico | X X X | X X X | X |
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11 | michele.fiori | michele.fiori@inaf.it | O.A. PADOVA | N | TECNOLOGO | Simulazioni scientifiche, sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | X X X | X X X | X |
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12 | domenico.impiombato | domenico.impiombato@inaf.it | O.A. PADOVA | Y | TECNOLOGO | Sviluppo tecnologico | X X X | X X X | X |
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13 | thomas.forte | thomas.forte@inaf.it | O.A. PADOVA | Y | C.T.E.R. | Attività di laboratorio | X X X | X X X | X |
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14 | marco.mosele | marco.mosele@inaf.it | O.A. PADOVA | Y | C.T.E.R. | Attività di laboratorio | X X X | X X X | X |
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15 | alessia.spolon | alessia.spolon@inaf.it | O.A. PADOVA | N | TECNOLOGO | Simulazioni scientifiche | X X X | X X X | X |
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# | Nome | Struttura | TI | Qualifica | Ruolo nel Progetto | FTE Accertate (2024/2025/2026) | FTE Presunte (2024/2025/2026) | Extra | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | giampiero.naletto | giampiero.naletto@unipd.i | O.A. PADOVA | Y | Professore Associato, Università di Padova | Simulazioni scientifiche, sviluppo tecnologico | [0.1, 0.1, 0.1] | [0.0, 0.0, 0.0] | 0.0 |
2 | giovanni.bonanno | giovanni.bonanno@inaf.it | Osservatorio Astrofisico di Catania | N | Associato Quiesciente | Sviluppo tecnologico, attività di verifica e test | [0.3, 0.3, 0.3] | [0.0, 0.0, 0.0] | 0.0 |
3 | cesare.barbieri | cesare.barbieri@unipd.it | Retired | retired | Professor Emeritus | Sviluppo tecnologico | [0.1, 0.1, 0.1] | [0.0, 0.0, 0.0] | 0.0 |
Fondi INAF "Astronomia Industriale" Fondi PNRR CTA+ Fondi PNRR Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing Fondi INAF-Mini Grant
# | Provenienza | Certi 2024 (k€) | Certi 2025 (k€) | Certi 2026 (k€) | Presun. 2024 (k€) | Presun. 2025 (k€) | Presun. 2026 (k€) | Totale Certi (k€) | Totale Presunti (k€) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | PNRR CTA+ | 306 | 212 | 0 | 0 | 0 | 0 | 518 | 0 |
2 | PNRR Centro Nazionale HPC, Big Data e Quantum Computing | 30 | 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 50 | 0 |
3 | Fondi INAF "Astronomia Industriale" | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 |
# | Provenienza | Fondi 2024 (€) | Fondi 2025 (€) | Fondi 2026 (€) |
---|
F.O. | Descrizione |
---|---|
1.05.03.37.02 | Astronomia Industriale 2016 (SKA e CTA) (ref. Direttore Scientifico) |
2.02.01.01 | CTA+ Attività di progetto |
2.01.01.02 | Centro Nazionale HPC: Spoke 2 - Fundamental Research and Space Economy |
1.05.12.04.02 | MINI-GRANTS di RSN2 |