Uno sguardo sulle possibilità di ricerca per i radioastronomi dilettanti Flavio Falcinelli

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1 Radioastronomia amatoriale Uno sguardo sulle possibilità di ricerca per i radioastronomi dilettanti

2 Parleremo di Gli strumenti della radioastronomia: il radiotelescopio. Possibilità operative della radioastronomia amatoriale. Come si costruisce un radiotelescopio amatoriale? Analisi di un radiotelescopio total-power: i fattori importanti dai quali dipende la sensibilità strumentale. Panoramica sulle reali possibilità di ricerca per il radioastronomo dilettante.

3 Se ascoltata in altoparlante, l emissione radio si manifesta come un soffio o sibilo di rumore: origine naturale della radiazione. Emissione radio dal centro della galassia (Sagittario) Spostamento della sorgente con le stagioni e coincidenza delle osservazioni dopo un anno: natura extraterrestre dell emissione radio. Riproduzione delle registrazioni originali di Jansky del 16 Settembre 1932

4 Una delle prime mappe radio del cielo alla frequenza di 30 MHz: si nota l addensamento delle emissioni in prossimità del centro della galassia Piano galattico

5 Mappa radio del cielo alla frequenza di 408 MHz Miglioramento nella risoluzione spaziale nella misura dovuto all utilizzo di grandi strutture di antenne. Piano galattico

6 Il cielo radio Mappa del cielo alla frequenza di 432 MHz a bassa risoluzione (linee isoterme) Mappa del cielo alla frequenza di 408 MHz ad elevata risoluzione (falsi colori) Questo è il cielo che vedremmo se i nostri occhi fossero sensibili alle onde radio anziché alla onde luminose

7 Radiosorgenti termine generico che indica tutti gli oggetti celesti responsabili delle radioemissioni. Tali corpi, in funzione del loro meccanismo di emissione specifico e prevalente, possono esibire caratteristiche fisiche e radiative molto diverse uno dall altro. Radiotelescopio è lo strumento che consente di osservare, misurare e registrare il flusso di onde radio naturali emesse dalle radiosorgenti. E composto da un sistema di antenna, da linee di trasmissione che convogliano il segnale ricevuto ad un ricevitore, da dispositivi per l elaborazione e la registrazione dei dati acquisiti. La struttura comprende anche gli organi di controllo e di puntamento.

8 Concettualmente un RADIOTELESCOPIO non è troppo differente da un normale apparato ricevente per radiocomunicazioni, anche se alcune caratteristiche peculiari sono specializzate per garantire il corretto trattamento dei segnali ricevuti (sostanzialmente rappresentati da RUMORI). Unità di misura della densità di flusso delle radiosorgenti: 1 Jy = 1 f.u. = W/(m 2 * Hz) chiamata JANSKY (Jy)

9 Principali radiosorgenti A queste frequenze operative la radiazione solare è essenzialmente di natura termica (radiazione del Sole quieto ). E possibile studiare il Sole con antenne di piccolo diametro. Alla componente termica del Sole sono spesso sovrapposti burst: studio dei flares solari a microonde. Emissione termica della Luna. E una radiosorgente relativamente facile, ricevibile con antenne di piccolo diametro. Radiosorgenti difficili, ricevibili solo utilizzando antenne con diametro non inferiore a 3 metri. Frequenza operativa del ricevitore RAL10 MICROWAVE RADIOMETER Kraus, Radioastronomy

10 Procedura semplice ed immediata ( non di precisione assoluta!) per calibrare il sistema ricevente Livello del segnale d uscita che si misura puntando l antenna verso il terreno: Teq = K Livello del segnale d uscita che si misura puntando l antenna in una regione del cielo libera da radiosorgenti (di notte e verso il polo nord celeste): Teq = 10K

11 Finestra radio e trasparenza atmosferica La finestra operativa è quella delle radioonde, limitata inferiormente dai noti effetti schermanti della ionosfera terrestre, superiormente dai fenomeni di assorbimento molecolare delle onde radio dovuti principalmente al vapore acqueo (con picchi di assorbimento alle frequenze di circa 22 GHz e 184 GHz) e all ossigeno (con picchi di assorbimento a circa 60 GHz e 118 GHz). I grafici evidenziano l intervallo delle frequenze utili per le osservazioni radioastronomiche da terra. Si vede come la finestra spettrale aperta dall atmosfera terrestre sia quella compresa fra MHz e GHz. Le frequenze inferiori a 1 MHz sono assorbite dalle particelle cariche della ionosfera terrestre che funge da schermo per tutte le onde radio di frequenza inferiore a MHz. D'altra parte, la stessa atmosfera limita superiormente le frequenze utilizzabili (intorno ai 20 GHz) a causa dei fenomeni di assorbimento molecolare.

12 I nemici della ricerca radioastronomica Sono l inquinamento elettromagnetico artificiale (sempre più diffuso) e l appropriazione non autorizzata delle radiofrequenze riservate alla ricerca da parte delle emittenti commerciali. I disturbi atmosferici ed artificiali sono molto importanti alle basse frequenze, mentre diventano trascurabili nella banda delle microonde. E per questo motivo che un piccolo radiotelescopio amatoriale a microonde può anche essere installato sotto casa [db] 10log 10 (T a /T o ), con T o =290 K disturbo atmosferico notte disturbo artificiale giorno max rumore cosmico min Frequenza f [MHz] Distribuzione sulla terra del rumore radio di fondo alla frequenza di 131 MHz. Concentrazione del disturbo nelle zone più industrializzate.

13 Classificazione base dei meccanismi emissivi delle radiosorgenti: radiazione termica: i segnali ricevuti sono più intensi alle frequenze elevate; radiazione non termica: i segnali ricevuti sono più intensi alle basse frequenze. Le sorgenti termiche emettono come corpi neri a temperatura costante ed uniforme e sono caratterizzate da un andamento del flusso crescente con la frequenza. Le sorgenti non termiche (molto più numerose) sono caratterizzate da un flusso decrescente con la frequenza ed irradiano generalmente per emissione di sincrotrone.

14 E possibile la radioastronomia amatoriale? Quali sono gli strumenti utilizzabili? Uno sguardo sulle concrete possibilità di ricerca aperte ai radioastronomi dilettanti e sulla strumentazione disponibile.

15 Radioastronomia amatoriale E un attività sperimentale dove singole persone o gruppi di appassionati (radioamatori, astrofili ) possono condurre interessanti attività, anche di supporto alla ricerca ufficiale. E una disciplina che richiede un minimo di conoscenze in settori paralleli quali: - fisica ed astrofisica (conoscenze teoriche di base) - astronomia (conoscenze teoriche di base) - elettronica (costruzione degli strumenti) - meccanica (costruzione degli strumenti) - informatica (acquisizione ed elaborazione dati).

16 Il problema della strumentazione Bisogna necessariamente essere esperti elettronici per fare radioastronomia amatoriale? In commercio sono disponibili eccellenti strumenti astronomici, accessori, software e tutto il necessario per iniziare, a qualsiasi livello economico, la tradizionale attività dell astronomo dilettante nella regione spettrale del visibile. Esiste qualche proposta valida per la radioastronomia?

17 TIPO di PROGETTO ATTREZZATURE LIVELLO DI CULTURA e NECESSARIE PRATICA in ELETTRONICA Monitoraggio dei brillamenti Ricevitore VLF ed modesto (ricevitore ed antenna Solari in VLF antenna loop magnetica semplici ed economici) Studi sulle meteore Ricevitore VLF ed antenna modesto (come sopra) FACILE Tempeste radio di Giove Ricevitore e Dipolo HF buono (ricevitore non troppo complesso, antenna semplice) Ricezione total-power di radiosorgenti in banda Ricevitore HF-VHF ed buono (ricevitore relativamente HF-VHF antenna complesso ed antenna complessa) Radiometri in banda Preampli-RF a basso rumore buono-avanzato (ricevitore UHF-SHF Ricevitori ed antenne SHF relativamente complesso ed antenna ottimizzate complessa) Rivelazione di Pulsar Preampli-RF a basso rumore avanzato (ricevitore complesso ed Ricevitori VHF-UHF ed antenna molto complessa) antenne ottimizzate Radiointerferometria e Ricevitori multipli, array molto avanzato (notevole Mappatura di radiosorgenti di antenne e tecniche FFT complessità del sistema e degli algoritmi di elaborazione) DIFFICILE Ricerche SETI Ricevitore SHF ed antenna avanzato (complessità del ricevitore, ottimizzati, algoritmi FFT dell antenna e degli algoritmi di elaborazione)

18 Ascolto dei segnali radio alle bassissime frequenze Osservazioni nelle bande ULF-VLF-ELF limite inferiore dello spettro radio Interessanti ricerche sui disturbi ionosferici indotti da eventi astronomici (perturbazioni solari - SIDs, bombardamento meteoritico, etc ). Fenomeni radio naturali dovuti all attività troposferica. frequenza Radio Natura tempo

19 Prototipo di ricevitore ELF-VLF 1-20 khz ad amplificazione diretta Si tratta di un semplice radiospettrometro FFT ad amplificazione diretta. Utilizzo degli spettrogrammi per l analisi dei dati.

20 Esempio di spettrogramma ottenuto con il ricevitore ELF-VLF Stazioni ALPHA per sommergibili Apparecchio TV domestico Scariche elettriche atmosferiche Si riconoscono segnali di origine artificiale, come quelli intermittenti caratteristici di tre delle stazioni della rete russa ALPHA utilizzata per il collegamento con i sommergibili militari in tutto il mondo, segnali doppler prodotti dal passaggio delle automobili lungo una strada posta a circa 300 metri di distanza dal sito di osservazione e le tipiche armoniche delle linee di distribuzione dell energia elettrica a 230 V 50 Hz (parte inferiore del grafico). Sono riconoscibili anche segnali di origine naturale causati dalle scariche elettriche atmosferiche locali ed altri segnali di origine sconosciuta. Armoniche della tensione di rete

21 SID: Sudden Ionosphere Disturbance Studio indiretto delle perturbazioni ionosferiche causate da eventi solari transienti mediante monitoraggio in banda radio VLF delle variazioni di potenza del segnale proveniente da stazioni lontane che si propaga per riflessione ionosferica. Eruzioni solari Interessanti correlazioni con l osservazione dei bursts solari a microonde: utilizzando il ricevitore total-power RAL10 in banda X, è possibile condurre osservazioni simultanee in banda VLF (SID) ed in banda X.

22 Ricevitore SID: schema a blocchi Pre-Amp All frequencies Coax Band-pass Filter Band-pass Filter (10-50kHz) (Amplitude Modulation) Signal Strength 12 bit, Analog to Digital Conversion DATAQ RS-232 = Computer DC voltage Level Sample every 5 Seconds

23 Studio dei fenomeni radio transienti nella banda delle onde corte (HF) Analisi dei disturbi ionosferici indotti dall attività sporadica del Sole e dei radio-burst di Giove.

24 Radiazione galattica alle lunghezze d onda decametriche Emissione dal Sagittario Disturbi artificiali Prototipo di un ricevitore ad amplificazione diretta funzionante alla frequenza di 20.4 MHz con il quale si sono replicate le esperienze di Jansky. Registrazione di prova effettuata con il ricevitore collegato ad un semplice dipolo filare a mezz onda disposto orizzontalmente rispetto al terreno ed orientato con i massimi di radiazione in direzione NE-SO. A parte i disturbi locali a carattere impulsivo, si distinguono i larghi massimi periodici dovuti alla radiazione complessiva proveniente da centro galattico.

25 Studio dell emissione galattica a 26 MHz Prototipo di ricevitore a sintonia continua 150 khz 30 MHz Come è tipico quando si effettuano osservazioni nella banda di frequenze intorno a 26 MHz, sono visibili i picchi relativi alle interferenze (RFI) con altre stazioni radio commerciali e radioamatoriali. Tali disturbi non hanno impedito, comunque, di evidenziare il profilo del transito del centro galattico. Osservazione effettuata da Salvatore Pluchino (sud della Sicilia) con un sistema ricevente composto da un antenna yagi a 5 elementi (puntata al transito a circa 45 di elevazione) collegata al prototipo di ricevitore RAL VLF-HF (frequenza operativa 26 MHz). All uscita Total-Power del ricevitore è stato collegato un sistema automatico di acquisizione (12 bit) gestito dal software RADIOmetrica.

26 Monitoraggio della radiazione decametrica di Giove e delle radiotempeste solari Schema blocchi di un semplice ricevitore ad onde corte utilizzabile per il monitoraggio dell attività radio di Giove e del Sole. Prototipo di stazione ricevente sintonizzabile nella parte della gamma HF (onde corte) interessante per lo studio dei fenomeni radio transienti di Giove e del Sole (20-40 MHz).

27 Radiotelescopi a microonde (in banda X) GHz Facilmente realizzabili a livello amatoriale, dato che sono utilizzabili componenti e moduli commerciali (a basso costo) provenienti dal mercato della TV-SAT (comprese le antenne). I ricevitori total-power in banda X sono relativamente immuni ai disturbi radio artificiali: è quindi possibile installare con successo un piccolo radiotelescopio anche in zona urbana. Purtroppo, le radiosorgenti in banda X non sono molto numerose, né potenti: per osservarle sono indispensabili antenne di dimensioni non trascurabili. Ottime osservazioni del Sole (componente termica della radiazione e registrazioni dei flares solari a microonde) e della Luna.

28 Come iniziare Il primo passo verso l autocostruzione: Il più semplice radiotelescopio (radiometro) SHF che utilizza un SAT-FINDER commerciale Schema elettrico del più semplice radiotelescopio realizzabile da radiodilettanti E un sistema semplice ed economico, che può rappresentare un primo approccio sperimentale verso la radioastronomia.

29 La radioastronomia per tutti GHz RAL10 MICROWAVE RADIOMETER di RadioAstroLab Il primo strumento commercialmente disponibile per esperimenti educativi di radioastronomia amatoriale Il sistema RAL10 consente l installazione di un efficiente radiotelescopio in banda X a basso costo. Raccolta ed analisi delle osservazioni con strumentazione stardardizzata e condivisibile da altri sperimentatori. Sviluppo di una banca dati radioastronomica.

30 Cosa si può fare a livello amatoriale? Sensibile radiotelescopio amatoriale a microonde ( GHz) basato sul ricevitore RAL10 Il sistema RAL10 consente l installazione di un efficiente radiotelescopio a microonde a basso costo. Raccolta ed analisi delle osservazioni con strumentazione stardardizzata e condivisibile da altri sperimentatori. Sviluppo di una banca dati radioastronomica. L economicità è basata sull utilizzo di moduli e componenti facilmente reperibili, provenienti dal mercato della TV- SAT: Reperibilità dei componenti e facilità di installazione!

31 Analisi di un radiotelescopio Total-Power a microonde Un approfondimento sul funzionamento e sulle possibilità osservative di un tipico radiotelescopio amatoriale total-power a microonde operante nella banda GHz

32 Dove si colloca la banda osservativa dei GHz? Le frequenze inferiori a 1 MHz sono assorbite dalle particelle cariche della ionosfera terrestre che funge da schermo per tutte le onde radio di frequenza inferiore a MHz. D'altra parte, la stessa atmosfera limita superiormente le frequenze utilizzabili (intorno ai 20 GHz) a causa dei fenomeni di assorbimento molecolare. Nella banda GHz inizia a diventare non trascurabile il contributo disturbante della TROPOSFERA (formazioni nuvolose, pioggia ) GHz: banda operativa di RAL10 MICROWAVE RADIOMETER

33 Il contributo della troposfera nelle osservazioni in banda X (10-12 GHz) Cielo freddo (cielo quasi sereno) Gruppo di cumulo-nembi in transito: sullo sfondo formazione nuvolosa uniforme Formazione nuvolosa uniforme e compatta Registrazione RAL10 MICROWAVE RADIOMETER (file AF2) Forte attività temporalesca ~10K :28:27 14:15:06 17:01:45 19:48:24 22:35:03 01:21:42 04:08:21 06:55:00 09:41:39 12:28:18 15:14:57 18:01:36 20:48:15 23:34:55 02:21:34 05:08:13 Segnale radiometrico [V] ~ K ora locale Livello di base radiometrico: corrisponde con la temperatura del cielo freddo (circa 10 K). Il cielo è sereno e l aria asciutta (modello dell atmosfera chiara ). La registrazione mostra il contributo dell attività meteorologica sulle osservazioni radioastronomiche a frequenze superiori a 10 GHz

34 Esempio di registrazione del transito lunare in differenti condizioni di cielo. Effetto delle perturbazioni meteo. 5 segnale total-power [V] A B ora locale Moon A e B: Osservazioni del transito lunare effettuate in giorni diversi ed in condizioni di cielo sereno (atmosfera chiara). Il diverso ed asimmetrico profilo della traccia è dovuto al puntamento dell antenna effettuato NON sul meridiano. 2 segnale total-power [V] C ora locale C: Analoga osservazione dello stesso scenario in condizioni meteorologiche turbate. I picchi che si vedono rappresentano incrementi di temperatura dovuti a formazioni nuvolose in transito entro il fascio d antenna. 0 ora locale

35 Ricevitore RAL10: struttura Componenti commerciali (mercati TV-SAT e radioamatoriale) di basso costo

36 Elettronica interna di RAL10 MICROWAVE RADIOMETER Lo strumento è anche disponibile in kit, con le parti elettroniche già montate e collaudate

37 La struttura essenziale di un ricevitore Total-Power (ad esempio RAL10) Uno strumento Total-Power misura la potenza totale associata al segnale captato dall antenna e la potenza dovuta al rumore di fondo captato dal ricevitore. Utilizzando un circuito differenziale di post-rivelazione è possibile evidenziare solo le variazioni del segnale dovute alla radiazione proveniente da una radiosorgente. Rivelatore compensato in temperatura Frequenza operativa del sistema: fo := 2 GHz fo = Hz Frequenza centrale di ricezione m s λo := λo = m Lunghezza d'onda centrale di ricezione fo B := ( ) MHz B = Hz Larghezza di banda del ricevitore (corrisponde alla larghezza di banda della catena amplificatrice IF)

38 Parametri che influenzano la ricezione: 1) Antenna (guadagno massimo, ampiezza del fascio, forma del diagramma di ricezione); 2) Figura di rumore e guadagno totale di pre-rivelazione del ricevitore (il rumore captato dall esterno e quello interno del ricevitore devono essere minimi, dato che il ricevitore Total-Power amplifica tutto, senza discriminare fra rumore e segnale utile); 3) Sensibilità di rivelazione (dipende dal tipo di rivelatore utilizzato); 4) Guadagno di postrivelazione (discrimina e amplifica solo il segnale utile); 5) Costante di tempo dell integratore (riduce le fluttuazioni statistiche del segnale d uscita).

39 Antenna generalmente utilizzata: Riflettore parabolico a simmetria circolare Si ipotizza un'antenna con diametro pari a: D := 1.5 m ed un'efficienza d'antenna η := 0.5 si avrà un guadagno d'antenna dell'ordine di: Ga_max η π D 2 := Ga_max= λo Ga_max_dB:= 10 log( Ga_max) Ga_max_dB= [db] Valore angolare del beam d'antenna HPBW_g = [gradi] Tipica antenna amatoriale reperibile sul mercato TV-SAT (riflettore primofuoco oppure offset).

40 I parametri importanti del ricevitore Il segnale Total-Power è acquisito da un convertitore analogico-digitale (ADC) con adeguata risoluzione (nel RAL10 è di 12 bit) per la gestione dei dati tramite PC e software di elaborazione (es. RADIOmetrica). Se il guadagno dell LNA è sufficientemente elevato, la figura di rumore del ricevitore è coincidente con quella dell LNA GLNA_dB := 50 GIF_dB := 17 A_dB := 1 [db] [db] [db] GLNA_dB GLNA := GIF_dB 10 GIF := 10 A_dB 10 A := 10 GLNA = GIF = A = 1.26 Guadagno LNAC (unità esterna posta sul feed d'antenna) Guadagno della catena amplificatrice IF Somma delle perdite sul cammino RF (cavo coassiale+connettori+ disadattamenti vari+mixer, etc..) Fr_dB := 0.3 Fr_dB 10 Fr := 10 [db] Figura di rumore del ricevitore (poichè il guadagno del LNA è elevato rispetto a quello degli stadi successivi, si suppone che la figura di rumore del ricevitore sia coincidente con quella del modulo LNA) Fr = 1.07 E il guadagno in DC impostabile con RAL10 Tr := To ( Fr 1) Av := 1000 Tr = K Temperatura equivalente di rumore del ricevitore Guadagno in tensione dell'amplificatore di post-rivelazione

41 Caratteristiche della radiosorgente osservata 1) Densità di flusso [Jy]; 2) Dimensione angolare apparente [gradi]. Jy := W m 2 Hz Definizione dell'unità di misura del flusso delle radiosorgenti [Jy] Dimensione angolare apparente Modello utilizzato per simulare la distribuzione di brillanza di una tipica radiosorgente discreta

42 Valutazione della temperatura d'antenna supponendo assenza di disturbi interferenti di origine artificiale: elevazione := 65 [gradi] Tdist_atm Tcmb := := 3 K 0 K Elevazione dell'antenna rispetto all'orizzonte Contributo di rumore d'antenna dovuto ai disturbi atmosferici naturali, circa nullo per frequenze > 10 GHz. Temperatura di brillanza del fondo cosmico a microonde ("cielo freddo" in assenza di radiosorgenti). Il contributo del rumore di assorbimento atmosferico è valutabile con l'aiuto della seguente tabella: Tatm := As := K As π sin elevazione 180 Aatm := 10 Aatm = 1.05 [db/km] Temperatura radiante dell'atmosfera Attenuazione specifica atmosferica alla frequenza di 10 GHz (si ottiene dalla tabella precedente) Attenuazione della tratta atmosferica caratterizzata da attenuazione specifica [As] alla frequenza di lavoro (lo spessore dell'atmosfera è ricavabile dall'angolo di elevazione dell'antenna [elevazione]. elevazione = 65 [gradi]

43 Il contributo della radiazione del terreno La temperatura di brillanza del terreno, che non coincide con la sua temperatura fisica a causa di fenomeni di diffusione e di riflessione, assume tipicamente valori dell ordine di K, prodotti dal contributo dei lobi laterali dell antenna e dall effetto di altre sorgenti come la vegetazione o la stessa brillanza atmosferica che si riflette sul terreno umido. Poiché l antenna di un radiotelescopio é puntata verso il cielo con angoli di elevazione sicuramente maggiori di 5, può captare radiazione termica dal terreno solo attraverso i lobi secondari: il livello del contributo dipende dalla loro ampiezza rispetto a quella del lobo principale. Valutazione del contributo di rumore dovuto all'irradiazione del terreno che entra nel fascio d'antenna attraverso i lobi laterali se l'antenna punta il cielo con angoli di elevazione superiori a 5 : Modello del profilo della variazione della temperatura del terreno in funzione dell'elevazione dell'antenna elevazione = 65 [gradi] Tgnd ( elevazione ) = K La temperatura del cielo, tenendo conto del fondo cosmico a microonde, del rumore atmosferico (troposfera), dei disturbi atmosferici naturali, dell'irradiazione del terreno e del contributo dovuto alla radiosorgente, è esprimibile come: Ts ( φ ) + Tcmb + Tdist _ atm + Tgnd ( elevazione ) + Tatm ( Aatm 1) T ( φ ) = A atm

44 Temperatura d antenna T ( φ ) = T Contributo della radiosorgente s ( φ ) + T + T + T ( elevazione ) + T ( A ) cmb Fondo cosmico a microonde (circa 3K) dist _ atm gnd atm atm 1 A atm Contributo dovuto al terreno Rappresenta la potenza di segnale effettivamente presente ai morsetti d ingresso del ricevitore Disturbi atmosferici (sono praticamente assenti nella banda GHz) E la temperatura del cielo Rumore di assorbimento atmosferico La temperatura effettiva d'antenna sarà la convoluzione del gain pattern normalizzato dell'antenna con la funzione temperatura equivalente di rumore ricavata sopra. Per il calcolo, conformemente alla definizione, si utilizza l'integrale di convoluzione: Temperatura d antenna T a ( φ ) T ( η ) Ga G ( φ η ) a _ max dη Risultato: Temperatura del cielo l antenna di un radiotelescopio tende a livellare, quindi a diluire, la vera distribuzione di brillanza osservata che risulterà pesata dalla funzione guadagno d antenna. Nel caso in cui la radiosorgente sia estesa rispetto al fascio d antenna, la distribuzione di brillanza osservata tende ad approssimare quella vera.

45 Un esempio: Ampiezza del fascio d antenna HPBW_g = 1.05 [gradi] Ws_g = 0.52 [gradi] Dimensione apparente della radiosorgente L entità della distorsione strumentale è legata al rapporto fra le dimensioni angolari del fascio d antenna e quella apparente della radiosorgente: nessuna distorsione si verifica se il fascio d antenna è molto stretto rispetto all ampiezza radio della radiosorgente (antenna MOLTO DIRETTIVA). Radiosorgente Distorsione strumentale (dovuta al gain-pattern d antenna) nella misura dell effettiva distribuzione di brillanza del cielo Misura dell antenna

46 Principali radiosorgenti osservabili con impianti amatoriali Parametri valutati alla frequenza di GHz Si ammette che il Sole possieda una distribuzione di brillanza uniforme e dimensioni radio uguali a quelle del disco ottico Ω sole := Wsole_g := 2 [ster] Ω sole_g π Ω sole_g := Wsole_g = π Ω sole [gradi*gradi] [gradi] angolo solido sotteso dal disco solare estensione angolare del disco solare visto da Terra Sole Td_sole Ssole := k Td_sole := λo 2 Ω sole 104 K Td_sole Ssole Jy = = K [Jy] è definita come la temperatura del disco Densità di flusso del Sole quieto Densità di flusso della LUNA: Ω luna := [ster] Ω luna_g := π Ω luna [gradi*gradi] angolo solido sotteso dal disco lunare Ω luna_g Wluna_g := 2 Wluna_g = 0.52 [gradi] π estensione angolare del disco lunare visto da Terra Luna Td_luna Sluna := K 2k Td_luna := λo 2 Ω luna Sluna Jy è definita come la temperatura del disco = Densità di flusso della Luna

47 ANTENNA Diametro antenna: 1.5 metri Guadagno antenna: 41.9 db Ampiezza beam: 1 grado Ricevitore: Microwave Radiometer RAL10 Frequenza centrale operativa: 1.25 GHz (λ=2.6 cm) Banda: 1.1 GHz RICEVITORE GLNA Fnoise = 50 db (min) = 0.3 db (medio) GIF = 17 db (min) Perdite cavo e connettori = 1 db Temperatura equivalente di rumore del ricevitore = 21 K Av (gain post-riv.) = 1000 Costante di tempo integratore: τ = 1 s SENSIBILITA TEORICA del ricevitore: FLUSSO MINIMO rivelabile: T min dove = ξ ξ 5 Tsys B τ S Tmin = K Smin = 55.5 Jy min 8πk = 2 λ G a T min Rivelatore a caratteristica quadratica SISTEMA AUTOMATICO DI ACQUISIZIONE DEI DATI Risoluzione ADC: 12 bit Numero di livelli di quantizzazione: 4096 Minimo livello di segnale risolvibile: 1.22 mv Rapporto segnale/disturbo ideale: 74 db Caratteristiche tecniche principali del ricevitore RAL10

48 Sole Flusso a GHz = Jy Temperatura del disco = K Estensione angolare = 0.53 gradi Simulazioni di registrazioni effettuate al transito supponendo un elevazione dell antenna pari a circa 65 rispetto all orizzonte. Luna Flusso a GHz = Jy Temperatura del disco = K Estensione angolare = 0.52 gradi Esempi di registrazioni effettuate con RAL10.

49 Prove tecniche di ricezione antenna di prova Radiometro SHF segnale di calibrazione

50 Le prime verifiche e calibrazioni del sistema ricevente con il Sole Antenna power-pattern L antenna guarda il Sole (utilizzato come radiosorgente campione ) per verificare il funzionamento e la sensibilità complessiva della catena ricevente. Antenna TEST Ricevitore total-power in banda X (RAL10 di RadioAstroLab)

51 Il Sole con RAL10 La componente termica della sua radiazione Registrazione di un transito solare con il ricevitore RAL10 Quando il fascio d antenna è più ampio della dimensione apparente della radiosorgente, la traccia del suo transito registrata dal radiotelescopio evidenzia la forma del diagramma di ricezione. Sono ben visibili i lobi laterali del sistema d antenna.

52 Studiare il Sole (emissione termica e flares) con il radiotelescopio RAL10 Registrazione di flares solari a microonde con il sistema RAL10 e RADIOmetrica (sistema di acquisizione a 12 bit). (Osservazione del sig. Michele Mallardi che ha utilizzato un antenna a riflettore parabolico TV-SAT da 80 cm di diametro). Eruzione solare Transito del disco solare sul fascio d antenna

53 Transito della Luna entro il fascio di ricezione del radiotelescopio Moon Nella banda operativa ( GHz) la densità di flusso della Luna è pari a circa Jy, con una componente radiativa essenzialmente di natura termica. Lo strumento è composto dal ricevitore RAL10 equipaggiato con antenna a riflettore parabolico per TV-SAT con diametro pari a 80 cm. (Cortesia sig. Michele Mallardi)

54 Alcune registrazioni della Luna effettuate da radioastronomi dilettanti possessori del sistema ricevente RAL10 con differenti impianti di antenna (Cortesia sig. Michele Mallardi e sig. Ferruccio Paglia) LUNA al transito Antenna con ricevitore RAL10

55 Particolari di transiti lunari Condizioni di osservazione: -Ricevitore RAL10 + Radiometrica; -Parabola 1,5 metri di diametro; -LNB 0,6 db FNoise e 50 db Gain; -Sistema Motorizzato EL - AZ ; -Guadagno DC = 16; -Illuminazione quasi totale del suolo Lunare; -Temperatura esterna circa 18 ; -Condizioni meteo eccezionali. Interferenza radio registrata durante un transito della Luna davanti al fascio d antenna di un radiotelescopio equipaggiato con RAL10 e antenna parabolica offset da 1.5 metri di diametro (cortesia Michele Mallardi).

56 Sole Flusso a GHz = Jy Temperatura del disco = K Estensione angolare = 0.53 gradi ANTENNA Diametro antenna: 0.6 metri Guadagno antenna: 34 db Ampiezza beam: 2.62 gradi Luna Flusso a GHz = Jy Temperatura del disco = K Estensione angolare = 0.52 gradi Segnale a fondo-scala τ = 1 s Effetto della costante di tempo dell integratore di post-rivelazione sul segnale d uscita: T min = ξ T sys B τ τ = s T T ξ sys B τ

57 Un caso estremo. ANTENNA Diametro antenna: 3 metri Guadagno antenna: 48 db Ampiezza beam: 0.52 gradi Marte Flusso a GHz = 5.1 Jy Temperatura del disco = 216 K Estensione angolare = gradi RICEVITORE GLNA = 50 db (min) Fnoise = 0.3 db (medio) GIF = 30 db (min) Av (gain post-riv.) = 3200 Costante di tempo integratore: τ = 1 s ANTENNA Diametro antenna: 6 metri Guadagno antenna: 54 db Ampiezza beam: 0.26 gradi T=0.018K T=0.073K Sensibilità del sistema: Tmin = 0.015K Sensibilità del sistema: Tmin = 0.015K La radiosorgente non è ricevibile La radiosorgente è ricevibile

58 L acquisizione e la registrazione automatica dei dati RICEVITORE RAL10 E indispensabile per acquisire e registrare automaticamente i segnali ricevuti realizzando una stazione radioastronomica non presidiata da operatori. Più osservatori possono contare su un sistema di acquisizione standardizzato che consente di confrontare i dati senza ambiguità. Convertitore Analogico-Digitale (ADC): trasforma il segnale analogico d uscita in un flusso di dati in formato digitale adatti ad essere elaborati dal computer di stazione. Parametri base ADC: 1) Risoluzione (es. 12 bit); 2) Intervallo del segnale analogico d ingresso (es. 0-5 Vdc); 3) Minimo livello di segnale rivelabile; 4) Rapporto segnale/rumore. Software per l acquisizione automatica dei dati sviluppato per il ricevitore RAL10. PC di stazione

59 RADIOmetrica è il software di acquisizione e di processing dei segnali acquisiti specificamente progettato per RAL10, parte integrante del sistema radioastronomico proposto da RadioAstroLab. L acquisizione dei dati avviene tramite porta seriale e protocollo proprietario secondo lo standard RS232. FITS File Format Flexible Image Trasport System, è un formato di storing dei dati ormai diventato uno standard internazionale in ambito radioastronomico. RADIOmetrica consente il salvataggio dei dati in formato FITS BINTABLE, ottimizzato in binario. Oltre ai dati, in ogni pacchetto sono inseriti diversi parametri correlati al Data Block registrato. ASCII Format I dati possono anche essere salvati in un file di testo ASCII, leggibile da qualunque editor e stampabili o importabili su fogli di calcolo o pacchetti di analisi statistica dei dati. Anche nel formato ASCII, oltre ai dati grezzi sono salvati diversi parametri legati al Data Block registrato. Bitmap In bitmap sono memorizzate le immagini delle "strip chart" prodotte dall ottima interfaccia grafica di RADIOmetrica..

60 Conversione Analogico-Digitale (ADC) ANTENNA Diametro antenna: 0.5 metri Guadagno antenna: 32.4 db Ampiezza beam: 3.1 gradi RADIOSORGENTE: LUNA Flusso a GHz = Jy Temperatura del disco = K Estensione angolare = 0.52 gradi RICEVITORE GLNA = 50 db (min) Fnoise = 0.5 db (medio) GIF = 17 db (min) Av (gain post-riv.) = 500 Costante di tempo integratore: τ = 0.1 s Il segnale è appena discernibile sulla registrazione si effettua lo ZOOM dell asse verticale Risoluzione ADC = 8 bit (256 livelli in ampiezza) Minimo segnale risolvibile: circa 20 mv Rapporto S/N = 50 db Risoluzione ADC = 12 bit (4096 livelli in ampiezza) Minimo segnale risolvibile: 1.2 mv Rapporto S/N = 74 db

61 E possibile ricevere CASSIOPEIA con RAL10? Flusso a 10 GHz = 600 Jy Estensione angolare = 0.02 gradi ANTENNA Diametro antenna: 1.5 metri Guadagno antenna: 42 db Ampiezza beam: 1 grado RICEVITORE GLNA = 50 db (min) Fnoise = 0.5 db (medio) GIF = 17 db (min) Av (gain post-riv.) = 2000 Costante di tempo integratore: τ = 1 s La traccia del transito della radiosorgente non è visibile sul tracciato dove la scala delle ordinate è quella massima gestita dall ADC: occorre effettuare uno ZOOM verticale per evidenziare il dettaglio della registrazione. Il passaggio della radiosorgente sarà visibile nei particolari se il convertitore analogicodigitale (ADC) del sistema ricevente è dotato di adeguata risoluzione.

62 Registrazione della zona di cielo interessata al transito di M31 effettuata con RAL10 ed un antenna a riflettore parabolico da 2.10 metri di diametro (cortesia Michele Mallardi) Registrazione reale Caratteristiche della stazione: -Ricevitore RAL10 impostato a 32 DCGain (3200x); -Preamplificatore di linea da 16 db; -Antenna 2.10 metri di diametro; -Tempo di intergrazione maggiore di 10 s; -Flusso radiosorgente: >30 10 GHz; -LNAC con guadagno >50 db e FNoise = 0.3 db. Registrazione simulata per verificare la fattibilità dell osservazione e la sensibilità del sistema ricevente

63 Interferenze e disturbi provenienti da apparati domestici. (Registrazione effettuata da Michele Mallardi con il sistema RAL10).

64 Esperimenti radioastronomici alla portata delle scuole, dei gruppi di astrofili e dei singoli appassionati Il radiotelescopio installato presso l Istituto Tecnologico Mottura a Caltanissetta RAL10 MICROWAVE RADIOMETER + RADIOmetrica