Ricerca di segnali radio artificiali da esopianeti: progetto S.P.O.C.K. Stefano Bologna Associazione Astrofili Urania, Luserna San Giovanni (TO)
Cos è la radioastronomia La maggior parte delle osservazioni astronomiche si basano sull osservazione della luce (radiazione elettromagnetica) proveniente dal cosmo. La radioastronomia studia i corpi celesti analizzandone la luce emessa nell'intervallo delle onde radio. 2
Le onde elettromagnetiche Che cosa sono? Un campo elettrico variabile (oscillante) genera un campo magnetico variabile (oscillante).e le oscillazioni dei due campi si propagano all infinito Non perdetevi l ottima e divertente lezione di Walter Lewin, con esperimenti in aula! (Vedi link in Bibliografia) 3
Le loro proprietà Le onde elettromagnetiche Lunghezza d onda λ I loro punti di forza: le più veloci (c = 299999 km/s..terra Luna in 1 s!); non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi (viaggiano anche nel vuoto dello spazio); alcune lunghezze d onda riescono ad attraversare la materia. 4
Radioastronomia: un po di storia Unità di misura del flusso radio il Jansky [Jy] Il primo ad accorgersi casualmente che dal cosmo arrivavano segnali radio fu Karl Jansky (negli anni 20), mentre svolgeva un lavoro di ricerca di tutt altro genere, con quella che fu chiamata l antenna a giostra 5
Radioastronomia: un po di storia 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
Cosa ascolta la radioastronomia? Tutti i segnali radio che arrivano dallo spazio, prodotti da processi naturali casuali (agitazione termica, radiazione di sincrotrone, inversione di spin ), producono segnali senza struttura ordinata, rumori incoerenti o fruscii... Segnali coerenti (con struttura) Segnali non coerenti (rumore) Segnale radio da nubi di idrogeno neutro 7
Cosa produce i segnali radio in arrivo dallo spazio? STELLE Radio GALASSIE resti di SUPERNOVAE NEBULOSE e... 8
Cosa produce i segnali radio in arrivo dallo spazio?...pulsar... psr 0329+54 0.714s Jocelyn Bell (studentessa, 1967) 2 x 10 11 Kg/cm 3 200 milioni di tonnellate per centimetro cubo! 9
Com 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 e di un radioricevitore a larga banda molto sensibile e stabile, progettato per misurare rumore, così come un termometro misura una temperatura. 10
Le origini del progetto: il satellite Kepler Perché è stato sviluppato Kepler? La domanda «esistono altri mondi nell Universo?» ha avuto risposta (recente): negli ultimi anni sono stati scoperti centinaia di pianeti orbitanti attorno ad altre stelle della Via Lattea. Michel Mayor & Didier Queloz 1995 Geneva observatory Obiettivi di missione. La maggior parte dei pianeti scoperti sino ad ora sono sostanzialmente di 3 tipi: giganti gassosi, giganti rocciosi molto caldi a breve periodo orbitale, giganti di ghiaccio. La nuova sfida è: trovare pianeti di tipo terrestre (da metà a due volte Mt) possibilmente in regioni orbitali ove l acqua possa esistere allo stato liquido, dunque ove possa esistere la vita. Questa è la sfida raccolta da Kepler. 11
Il satellite Kepler Obiettivi scientifici. Stabilire l abbondanza di pianeti terrestri, o di altro tipo, nella zona abitabile attorno a differenti tipi di stelle. Determinare distribuzione, forma e dimensioni delle loro orbite. Stimare quanti pianeti sono presenti in sistemi stellari multipli. Determinare dimensioni, massa, densità dei pianeti giganti a breve periodo orbitale. Rilevare le proprietà delle stelle che ospitano sistemi planetari. Individuare candidati e preparare la strada a Terrestrial Planet Finder (suo possibile successore) Osservare circa 100.000 stelle (nella regione del Cigno e della Lira) durante la sua vita operativa 2009 al 2012. (Ora estesa al 2016 per aumentare le chances di individuare pianeti di taglia terrestre) 12
Cosa osserva? Transito pianeta stella: diminuzione della luminosità (1/10000 typ) Durata dei transiti: da 1 a 16 ore, rigorosa periodicità. Fenomeno altamente ripetibile e metodo di rivelazione robusto. Si ricavano: - dimensioni dell orbita del pianeta; - massa del pianeta; - temperatura media superficiale del pianeta; et al La probabilità che un esopianeta di tipo terrestre, attorno ad una stella simile al Sole, orbiti su di un piano allineato, in modo tale da essere rilevabile da Kepler, dipende dal rapporto dei diametri ed è molto bassa: 0.5% (10% per pianeti di tipo gioviano) Dunque l unica strategia è osservare più stelle possibile 13
Zona abitabile (life belt) = regione attorno ad una stella nella quale la temperatura superficiale di un pianeta (o una luna) che le orbiti intorno è > al punto di congelamento e < al punto di ebollizione dell acqua. H 2 O liquida VITA (cosi come la conosciamo) H 2 O liquida al di fuori della zona abitabile? (Europa). Kepler mission counts (NASA Archive): 1033 Confirmed Planets 3704 Kepler Planetary Candidates 297 Candidates and confirmed in habitable zone Scoperti da Kepler (al 10/09/2015) 14
Esopianeti come? Esopianeti: come sono fatti Counts by Radius R 1.25 R_Earth 149 1.25 < R 2 R_Earth 312 2 < R 6 R_Earth 504 6 < R 15 R_Earth 233 15 R Earth < R 68
Non solo i pianeti potrebbero supportare la vita: (Puerto Rico University) Pianeti o lune 16
Vi sono diverse strade per la ricerca della vita nell Universo: studio dei meteoriti, ricerca di pianeti extrasolari, S.E.TI. La ricerca di pianeti extrasolari è la via più promettente e vi sono validi motivi per ritenere che pianeti di tipo terrestre esistano e siano numerosi: principio di uniformità: le leggi dell Universo sono le stesse ovunque; principio di completezza: tutto ciò che è possibile tende a realizzarsi; principio copernicano: la Terra non occupa un posto speciale nell Universo. Ma se anche trovassimo un pianeta e fossimo certi che su di esso è nata la vita, nulla potremmo dire sulla possibilità che sia abitato da esseri intelligenti, che hanno raggiunto uno sviluppo tecnologico pari o superiore al nostro. A questo può dare risposta solo il S.E.T.I. 17
Ricerca di civiltà tecnologiche S.E.T.I. Searching for Extra Terrestrial Intelligence Progetto finalizzato alla ricerca di segnali radio e ottici prodotti da civiltà non terrestri. Progetto di ricerca nato alla fine degli anni 50 da un idea dei fisici Giuseppe Cocconi e Philip Morrison, cui seguirono i primi esperimenti di 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. 18
Ricerca di civiltà tecnologiche S.E.T.I. Esopianeti Scoperti da Kepler e Confermati Il progetto S.P.O.C.K. SETI on exoplanets Observed and Confirmed by Kepler Campagna di ricerca S.E.T.I. verso tutti gli esopianeti scoperti da Kepler (confermati), alla ricerca di segnali radio artificiali, segno della presenza di vita e civiltà tecnologiche. 19
Il progetto SPOCK Strategie di ricerca: su quali frequenze cercare? f = 1420.405 MHz H neutro, elemento piu diffuso. Il diagramma 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 è minimo, è senz altro favorita per condurre ricerche S.E.T.I. verso lo spazio esterno. 20
Strategie di ricerca: che tipo di segnali radio cercare? Il progetto SPOCK Segnali radio artificiali: banda stretta = energia tutta concentrata su di una singola frequenza Di origine TERRESTRE (RFI, interferenze radio) Segnali radio dal cosmo Segnali radio naturali: emissione a banda larga DA SORGENTI REMOTE: Effetto doppler Verifiche: confronto con seconda antenna remota; verifica puntamento antenna 21
Segnali candidati già osservati? Il progetto SPOCK Wow! Signal 15 agosto 1977 Radiotelescopio dell Ohio Candidati SETI@home 1999 2008, Radiotelescopio di Arecibo 22
Il progetto SPOCK Risultati attesi: Osservazione radio a 1420 MHz su banda di 1.6 MHz (o maggiore). Osservazione di tutti gli esopianeti confermati del data base Kepler a macro gruppi di 2 x 2 gradi. Salvataggio in formato numerico degli spettri radio acquisiti per post processing e ricerca di portanti radio a banda stretta. Identificazione e catalogazione delle interferenze radio di origine terrestre captati dal radiotelescopio. Presentazione dei risultati. E.. qualche candidato E.T.I. 2x2deg ExoPlanetGroup RA [sexagesimal] RA [dec. deg] Dec [sexagesimal] Dec [dec. deg] RA DEC RA.dec DEC.dec ra_str ra dec_str dec pl_name EPG1 19h45m27.96s 296,366516 +51d19m10.3s 51,319523 Kepler-233 b EPG1 19h45m27.96s 296,366516 +51d19m10.3s 51,319523 Kepler-233 c EPG1 19h45m12.47s 296,301941 +50d40m20.3s 50,672318 Kepler-394 b EPG1 19h45m12.47s 296,301941 +50d40m20.3s 50,672318 Kepler-394 c EPG1 19h44m36.34s 296,151398 +50d05m44.9s 50,095806 Kepler-181 b EPG1 19h44m36.34s 296,151398 +50d05m44.9s 50,095806 Kepler-181 c EPG1 19h43m15.88s 295,816162 +51d07m18.3s 51,121742 Kepler-232 b EPG1 19h43m15.88s 295,816162 +51d07m18.3s 51,121742 Kepler-232 c EPG1 19h41m40.30s 295,417908 +51d11m05.2s 51,184765 Kepler-419 b 19h41m41,8s 50 42' 32,2" 295,424293 50,708958 EPG1 19h41m40.30s 295,417908 +51d11m05.2s 51,184765 Kepler-419 c EPG1 19h40m54.35s 295,22644 +50d33m32.4s 50,559006 Kepler-197 b EPG1 19h40m54.35s 295,22644 +50d33m32.4s 50,559006 Kepler-197 c EPG1 19h40m54.35s 295,22644 +50d33m32.4s 50,559006 Kepler-197 d EPG1 19h40m54.35s 295,22644 +50d33m32.4s 50,559006 Kepler-197 e EPG1 19h37m21.23s 294,33847 +50d20m11.6s 50,336544 Kepler-385 b EPG1 19h37m21.23s 294,33847 +50d20m11.6s 50,336544 Kepler-385 c EPG1 19h35m53.61s 293,973358 +50d31m54.9s 50,531914 Kepler-231 b EPG1 19h35m53.61s 293,973358 +50d31m54.9s 50,531914 Kepler-231 c EPG2 19h22m29.24s 290,621826 +51d03m26.3s 51,057304 Kepler-391 b EPG2 19h22m29.24s 290,621826 +51d03m26.3s 51,057304 Kepler-391 c EPG2 19h20m19.86s 290,082764 +50d51m48.5s 50,863483 Kepler-401 b EPG2 19h20m19.86s 290,082764 +50d51m48.5s 50,863483 Kepler-401 c EPG2 19h19m19.23s 289,830109 +50d35m10.5s 50,586246 Kepler-182 b EPG2 19h19m19.23s 289,830109 +50d35m10.5s 50,586246 Kepler-182 c EPG2 19h19m03.26s 289,76358 +51d57m45.4s 51,962601 PH2 b EPG2 19h17m33.12s 289,388 +50d35m49.4s 50,59705 Kepler-373 b EPG2 19h16m47,8s 50 53' 41,1" 289,199086 50,894745 19h17m33.12s 289,388 +50d35m49.4s 50,59705 Kepler-373 c EPG2 19h16m18.17s 289,075714 +51d45m26.8s 51,757439 Kepler-16 b EPG2 19h14m02.55s 288,51062 +51d09m44.9s 51,162472 Kepler-413 b EPG2 19h13m59.00s 288,495819 +51d04m55.0s 51,081947 Kepler-155 b EPG2 19h13m59.00s 288,495819 +51d04m55.0s 51,081947 Kepler-155 c EPG2 19h12m24.21s 288,100861 +50d02m01.4s 50,033718 Kepler-50 b EPG2 19h12m24.21s 288,100861 +50d02m01.4s 50,033718 Kepler-50 c EPG2 19h11m59.49s 287,997894 +50d56m39.6s 50,944332 Kepler-113 b EPG2 19h11m59.49s 287,997894 +50d56m39.6s 50,944332 Kepler-113 c EPG3 19h04m58.43s 286,243439 +50d02m25.4s 50,040382 Kepler-12 b EPG3 19h02m43.05s 285,679382 +50d14m28.7s 50,241299 Kepler-10 b 19h03m13s 50 9' 52,9" 285,804382 50,164684 EPG3 19h02m43.05s 285,679382 +50d14m28.7s 50,241299 Kepler-10 c EPG3 19h02m27.68s 285,615326 +50d08m08.7s 50,135754 Kepler-4 b FREQUENCY 1420405427 1420405488 1420405549 1420405610 1420405671 1420405732 1420405793 POWER dbm at T0-87,3741-88,082-89,898-89,9131-88,7656-88,9068-94,1985 T0 + 1s -103,087-93,8565-92,1924-95,1254-93,4207-92,7585-96,8107 T0 + 2s -100,856-90,7273-96,6119-93,65-110,298-95,0605-90,6698 23
Il progetto SPOCK La Domanda 24
Bibliografia: Cosa sono le onde elettromagnetiche. Una divertente lezione di Walter Lewin: https://www.youtube.com/watch?v=fyngs_viwbg Siamo soli nell Universo?, Elio Sindoni, Editrice San Raffaele L Universo e l origine della vita, Daniel R. Altschuler, Oscar Saggi Mondadori Se l Universo brulica di alieni dove sono tutti quanti?, Stephen Webb, Sironi editore kepler.nasa.gov exoplanetarchive.ipac.caltech.edu exoplanet.eu phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog Contact, dal romanzo di Carl Sagan, con Jodie Foster, regia di Robert Zemeckis (1997) 25