Associazione Astrofili Urania Le possibilità di ricerca per gli astrofili nello spettro radio.

Transcript

1 Associazione Astrofili Urania Le possibilità di ricerca per gli astrofili nello spettro radio. Stefano Bologna, IZ1BPN

2 Le osservazioni astronomiche si basano sull analisi della radiazione elettromagnetica proveniente dal cosmo. La radioastronomia studia i corpi celesti analizzando la radiazione elettromagnetica emessa nell'intervallo spettrale delle radioonde.

3 Un po di storia La trasparenza dell atmosfera alle radioonde era già nota dagli anni 20 ma la prima ricezione di radiosegnali cosmici avvenne casualmente pochi anni dopo ad opera di Karl Jansky, un ingegnere dei Bell Telephone Labs. Mentre era impegnato in una ricerca sui rumori e disturbi naturali che interferivano con le radiocomunicazioni commerciali, si rese conto di aver ricevuto un emissione radio proveniente dallo spazio profondo: in particolare era riuscito a rilevare le radioonde provenienti dal centro galattico.

4 Un po di storia Le osservazioni di Jansky furono confermate e sviluppate da G. Reber che realizzò i primi apparati (antenna e ricevitore) appositamente concepiti per uso radioastronomico, compilando la prima mappa radio della nostra galassia alle lunghezze d onda metriche. Negli anni successivi alla seconda guerra mondiale, stimolata dal consolidarsi della tecnologia elettronica associata ai radar, la radioastronomia ebbe uno sviluppo rapidissimo. Le tappe più importanti segnate dalla radioastronomia, a partire dagli anni 50, sono le seguenti.: 1951 osservazione dell emissione a 21cm dell idrogeno neutro (Ewen e Purcell); 1965 scoperta della radiazione cosmica di fondo a 2.75 ºK (4.08 GHz) da parte di Penzias e Wilson, sempre dei Bell Labs scoperta delle pulsar (Hewish e Bell).

5 Un po di fisica Qualsiasi oggetto cosmico in grado di produrre onde radio viene denominato radiosorgente. Le caratteristiche fisiche dell oggetto ed i meccanismi che ne originano l emissione radio possono essere molto diversi ma riconducibili a due tipologie fondamentali: RADIAZIONE TERMICA : in base alla legge di Planck, ogni corpo con temperatura superiore allo zero assoluto emette, più o meno efficientemente, radiazioni elettromagnetiche. Oggetti con emissioni di questo tipo sono: Luna, stelle, alcuni pianeti e gas interstellare se nelle vicinanze di una stella. RADIAZIONE NON TERMICA: è attribuibile a meccanismi fisici più complessi, caratterizzati da energie ben più elevate, come la radiazione di sincrotrone. E tipica di oggetti quali radiogalassie, Sole in periodi di elevata attività, gas interstellare sottoposto a forti campi magnetici ecc.

6 Un po di fisica Come in ottica, in radioastronomia lo studio dell energia ricevuta dallo strumento può distinguersi in fotometria (studio e misura quantitativa dell'emissione a spettro continuo) e spettroscopia (studio delle righe radio).

7 Cosa ascolta la radioastronomia Caratteristica comune alle emissioni dei corpi celesti è di produrre segnali radio aleatori ed incoerenti tipici della materia eccitata da meccanismi naturali. Ad eccezione delle righe spettrali di emissione di alcuni elementi (idrogeno neutro, deuterio e molte molecole organiche), la radiazione diffusa dagli oggetti celesti è a spettro largo, del tutto equivalente al rumore di fondo presente negli apparati elettronici. Chiunque utilizzi un apparecchio radio può facilmente sperimentare questo fenomeno ascoltando il fruscio di sottofondo in una zona della banda libera da stazioni trasmittenti.

8 Come è fatto un radiotelescopio Radiazione cosmica Sistema di acquisizione ed elaborazione Antenna Radioricevitore Nella struttura più semplice si tratta di un radiometro equipaggiato con un adatto sistema d'antenna, cioé un radioricevitore a larga banda molto sensibile e stabile, progettato per misurare rumore, cosi come un termometro misura una temperatura.

9 Come è fatto un radiotelescopio Un radiotelescopio sarà generalmente costituito dai seguenti componenti: Preamplificatore a basso rumore (LNA) Antenna Linea coassiale a bassa perdita Sistema di acquisizione Ampli RF e filtro passa banda Ampli e filtro I.F. Rivelatore quadratico Integratore Oscillatore locale Ricevitore radio

10 Come è fatto un radiotelescopio Analizzando il percorso del segnale ricevuto, attraverso i vari stadi del ricevitore, é immediato rendersi conto delle tipiche trasformazioni operate dallo strumento sul debole segnale della radiosorgente captato dall'antenna.

11 Analogie e differenze con l ottico Strumento con specchio primario parabolico che concentra l energia in un punto Misura dell intensità del segnale ricevuto (astrometria) Aumentare il tempo d integrazione (media) è simile ad aumentare quello di esposizione nell ottico. Potere risolutore molto inferiore nel radio: circa 3.5º con antenna da 4m. Tolleranze molto meno spinte nella realizzazione dello specchio primario e del sistema d inseguimento: λ >>. Nel radio è più facile fare spettroscopia.

12 Cosa è alla portata dell astrofilo. L intensità del segnale radio emesso da una radiosorgente si misura in Jansky. Le più intense sorgenti radioastronomiche sono: 1 Jy = m 2 W Hz

13 Osservazioni e ricerche possibili La costruzione di un radiotelescopio per frequenze fino a 10GHz è ormai alla portata di chiunque abbia un minimo di dimestichezza con l elettronica e soprattutto con la meccanica. Gli strumenti per la ricerca radioastronomica amatoriale possono essere autocostruiti, con livelli di difficolta crescenti, in un range di frequenze che va dalle VLF (decine di khz) alle SHF (fino a 10 GHz). A seconda della frequenza prescelta, sara possibile effettuare diversi tipi di osservazioni: VLF ed HF ( f < 30 MHz) antenne filari: studio della ionosfera terrestre e della propagazione delle onde radio, emissioni radio di Giove, sorgenti non termiche (Cassiopea, Cygnus ecc.); VHF ( f < 200 MHz) antenne filari o direttive yagi: studio degli sciami meteorici, emissioni radio del Sole e misura della sua attivita. UHF ed SHF ( f < 20 GHz) antenne paraboliche: studio dell emissione termica di Sole e Luna, mappatura della Via Lattea per l idrogeno neutro ed altri elementi chimici (in particolare di alcune molecole organiche), misura spettroscopica delle velocita radiali di nubi di gas ecc.

14 Alcuni esempi... Misura del flusso di radiosorgenti: Sole Taurus A db db Time [s] Time [s] Sole f = 1420 MHz (idrogeno neutro) Flux: Jy Antenna: 4m dish Integrazione: 10s Taurus A (resto di supernova) f = 1420 MHz (idrogeno neutro) Flux: 700 Jy Antenna: 5m dish Integrazione: 20s (periodo della pulsar 30 ms )

15 Alcuni esempi... Mappa dell idrogeno neutro nella Via Lattea: Alla frequenza di 1420 MHz l idrogeno neutro emette naturalmente onde radio, per un meccanismo detto inversione di spin. Le antenne per tale banda (parabole con diametro di almeno 3m) riescono ad avere gia un potere risolutore sufficiente a distinguere le diverse regioni della nostra galassia consentendo una mappatura della distribuzione dell idrogeno. L immagine a lato e stata ottenuta con una parabola da 5m.

16 Alcuni esempi... Indagini spettroscopiche sulla struttura e le dinamiche della galassia : La fig. (a) mostra il profilo delle velocita di rotazione delle varie parti della nostra galassia rispetto alla distanza dal centro. Questo movimento introduce uno spostamento Doppler significativo, osservabile nel segnale radio ricevuto. Se il moto dell idrogeno fosse uniforme e circolare, il segnale dovrebbe avere l andamento teorico di fig. (b). Alla frequenza di 1420 MHz, se si dispone di ricevitori ad alta stabilita in frequenza o stabilizzati dal GPS, e possibile osservare le anomalie introdotte dai moti turbolenti e dalla disomogenea distribuzione di massa nella galassia. La linea continua in fig. (c) mostra l andamento atteso e le due linee tratteggiate, invece, due osservazioni. La risoluzione permette di rilevare variazioni di velocita di pochi km/s. (a) (b) (c)

17 Le pulsar Gli strumenti amatoriali sono certamente in grado di rilevare e misurare i segnali emessi dalla maggior parte delle sorgenti elencate precedentemente. Oggetti più esotici e sfuggenti sono sicuramente le pulsar PULSAR PERIODO [s] DURATA IMPULSO [ms] FLUSSO MEDIO [Jy] FLUSSO DI PICCO [Jy] PSR PSR PSR PSR PSR PSR PSR PSR PSR

18 Il suono delle pulsar Alcune pulsar sono relativamente facili da ricevere come sorgenti continue; tuttavia rilevare il loro segnale rapidamente pulsante diventa complesso in quanto il processo di integrazione, che migliora la sensibilità dello strumento, non è applicabile perché tende a cancellare i singoli rapidi impulsi. Per tali oggetti é assolutamente necessaria un antenna con guadagno elevato, dunque di grandi dimensioni. Ecco cosa può ascoltare un antenna da 26m di diametro (Green Bank Observatory): psr s psr s psr s

19 Oltre la radioastronomia... Il radiotelescopio e uno strumento molto versatile, che si presta ad impieghi ed indagini scientifiche che oltrepassano i limiti della radioastronomia classica. Ecco alcune altre applicazioni interessanti. E.M.E (Earth Moon Earth) S.E.T.I.

20 Cos e l E.M.E (Earth-Moon Earth) o riflessione lunare (Moon bounce) Il concetto e semplice: due stazioni sulla Terra anche molto distanti ma che vedano simultaneamente la Luna, possono farvi rimbalzare un segnale radio ed effettuare un collegamento tra di loro. Questa tecnica assume una grande importanza, specie per i radioamatori: la strada dei collegamenti su lunghe distanze si apre anche per le frequenze più elevate.

21 E.M.E. I parametri fisici Attenuazione di tratta A λ 2 /(4πD) 2 Esprime l attenuazione subita dal segnale radio nel percorrere la distanza Terra-Luna-Terra. per f = 432 MHz (banda TV UHF) A 260 db ovvero (26 zeri) 1!! Efficienza di riflessione del suolo Difficilmente quantificabile, dipende dall irregolarità della superficie lunare. I risultati migliori si ottengono per frequenze prossime ai 2GHz (λ = 15cm) ove comunque solo il 7% dell energia incidente viene riflessa!

22 Radioastronomia E.M.E. DIMENSIONI DELLE ANTENNE SEGNALI DEBOLI IN ENTRAMBE LE DISCIPLINE Potenza di trasmissione Gli amplificatori a valvole vanno ancora per la maggiore

23 Ascoltiamo gli Echi dalla Luna Ecco qualche esempio di echi radio dalla Luna. Nelle nostre registrazione, in telegrafia ed in voce, potrete ascoltare: prima l operatore radio che trasmette il proprio segnale da terra (telegrafia o voce); di seguito il debole eco riflesso dalla Luna, che arriva con circa 2s di ritardo, il temo impiegato dal segnale radio a compiere il percorso alla velocità della luce. Echi IZ1BPN cw DF4PV fonia: Delta Fox Four Papa Victor Echi IZ1BPN fonia

24 Cosa e S.E.T.I.? Searching for Extra Terrestrial Intelligence Progetto finalizzato alla ricerca di segnali radio e ottici prodotti da civiltà non terrestri. E un progetto di ricerca nato alla fine degli anni 60 da un idea del raadioastronomo Frank Drake. Negli anni 70 venne finanziato dalla NASA ma dal 1993 prosegue, a ritmi ridotti, solo grazie a finanziamenti privati ed all opera di volontariato di radioastronomi professionisti e non, come nel caso del SETI@HOME.

25 S.E.T.I. : Strategie di ricerca. Su quali frequenze cercare? Il diagramma a lato mostra il livello di rumore radio del cielo dovuto ai vari contributi di origine naturale. La banda delle microonde (1-10GHz), dove il rumore naturale e minimo, e senz altro favorita per condurre ricerche S.E.T.I.

26 S.E.T.I. : Strategie di ricerca. Segnali radio artificiali: banda stretta = energia tutta concentrata su di una sungola frequenza Di origine TERRESTRE (RFI) Che segnale radio cercare? DA SORGENTI REMOTE: Effetto doppler confronto con seconda antenna omnidirezionale (RFI) Segnali radio naturali: emissione a banda larga confronto con antenne distanti

27 L osservatorio Urania

28 L osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO) L impianto: Antenna da 4m altazimutale ricevitore per la riga H (1420MHz) analizzatore spettrale da 1M di canali (S.E.T.I.) ricetrasmettitore e PA per EME in banda 23cm (1296MHz)

29 L osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO) Radioastronomia S.E.T.I. E.M.E Sole db Time Studio dell attività solare Progetto Argus (Seti League) Collegamenti via Luna nel corso di manifestazioni EME internazionali

30 L osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO) Lavori in corso... Nuova parabola da 8m

31 L osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO) Lavori in corso... Ricevitore Software Defined Radio per RA e SETI Studio delle nubi di H galattiche Nuovo amplificatore per EME mappatura della galassia sulla riga H echi lunari anche in fonia (voce) SETI e studio dei N.E.O. mediante echi radio

32 Sviluppi futuri Mappatura di radiosorgenti estese e ricezione di sorgenti deboli Studio dei N.E.O. in collaborazione con il CNR di Medicina(BO) S.E.T.I. di nuova generazione (ottico e radio)