Corso di Radioastronomia 2

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1 Corso di Radioastronomia 2 Aniello (Daniele) Mennella Davide Maino Dipartimento di Fisica Prima parte: principali meccanismi di emissione e assorbimento

2 Parte 1 Lezione 4 L emissione da polvere interstellare e l interazione con l atmosfera terrestre

3 L emissione da polvere interstellare La Galassia emette nelle microonde anche grazie alla presenza di grani di polvere he vengono scaldati dalla radiazione interstellare I grani assorbono radiazione UV e la riemettono nel lontano IR Questa emissione diventa signifcativa per frequenze maggiori di 100 GHz e può essere modellata come un corpo nero modifcato dove Td è la temperatura della polvere, ɑ ~ 2 e Bν è la legge di corpo nero L intensità dell emissione dipende, oltre che dalla temperatura, anche dalla composizione chimica del gas, dal rapporto polvere/gas e dalla struttura/dimensioni dei grani

4 Emissione anomala Il termine emissione anomala è stato coniato al termine degli anni 90 per indicare una correlazione inaspettata fra emissioni nel lontano IR, presenza di polvere e emissioni a micro-onde di intensità superiore a quella attesa per una semplice emissione termica La natura di questa emissione non è ancora del tutto spiegata. Il modello più plausibile è che essa sia legata alla presenza di grani di polvere dotati di un momento di dipolo elettrico permanente dovuto a una distribuzione non omogenea della carica elettrica Le interazioni con il gas e la radiazione presenti nell ambiente circostante causano una rotazione dei grani e un emissione dove è la componente del dipolo elettrico perpendicolare a

5 Overview delle principali emissioni intensità totale (misure del satellite Planck) Frequenze di Planck

6 Overview delle principali emissioni frazione polarizzata (misure del satellite Planck) Frequenze di Planck

7 Interazione con l atmosfera - assorbimento La presenza del vapore acqueo nell atmosfera ha un impatto signifcativo sulla propagazione dei segnali elettromagnetici. Le molecole di acqua, infatti, sono sottoposte a movimenti rotovibrazionali che hanno risonanze principali nella regione dell infrarosso (da circa 2.7 a circa 6.3 micron) La combinazione di questi movimenti produce uno spettro con numerose risonanze che si estendono fno nella regione del radio e delle microonde. Una di queste risonanze è a 2.45 GHz, la frequenza comunemente utilizzata dai forni a microonde

8 Interazione con l atmosfera - assorbimento Ossigeno Vapore d acqua La seconda causa principale di assorbimento nella banda radiomicroonde è l insieme delle transizioni rotovibrazionali dell ossigeno, che presenta una banda di assorbimento attorno a 60 GHz e un picco di assorbimento a 119 GHz Assorbimento atmosferico allo Zenith a circa 2 km s.l.m.

9 Interazione con l atmosfera - assorbimento L assorbimento della radiazione ha due efetti: il primo è quello di attenuare il segnale in arrivo, il secondo è quello di aggiungere del rumore termico, esattamente come fa un elemento passivo in un ricevitore radiometrico (cfr. lezione P03L02, slide 38) Se Tsky è la temperatura di brillanza del cielo, T0 la temperatura termodinamica dell atmosfera e ɑ l attenuazione atmosferica, il segnale rilevato sarà: Il rumore aggiunto dall attenuazione atmosferica è in generale un efetto molto più signifcativo dell attenuazione stessa, soprattutto nei casi in cui si adottano ricevitori a basso rumore per efettuare misure molto sensibili. Per questo motivo la scelta dei siti è un fattore chiave nella pianifcazione di un esperimento

10 Siti osservativi Antartide, DOME-C, ~ 3600 m Antartide, Polo Sud, ~ 2800 m Atacama, Chile, ~ 5000 m Izana, Tenerife, ~ 2400 m

11 Interazione con l atmosfera indice di rifrazione Il vapore acqueo ha un impatto anche sull indice di rifrazione, che è signifcativamente diverso da quello dell aria secca. Alle frequenze radio si utilizza un parametro, denominato refrattività e defnito come dove n è l indice di rifrazione dell aria. Una relazione empirica che lega N ai parametri atmosferici è la seguente: dove Pd e Pv sono le pressioni parziali dell aria secca e del vapore acqueo espresse in millibar e T è la temperatura dell atmosfera in K

12 Interazione con l atmosfera indice di rifrazione La rifrazione cambia la direzione di arrivo di un fronte d onda sul telescopio Nel caso in cui il telescopio compia osservazioni con piccoli angoli di elevazione (in direzione dell orizzonte) è possibile stimare il cambio di elevazione Δz causato dalla rifrazione come dove z è l angolo di elevazione. Considerando che l ordine di grandezza di n-1 è circa 10-4 abbiamo che vicino all orizzonte Δz ~ 20 arcmin L efetto della rifrazione è particolarmente importante per le misure interferometriche, a causa del cambio nel cammino ottico dell onda. Per questo motivo l efetto dell atmosfera va stimato e corretto a partire dai dati meteorologici del sito