la radioastronomia amatoriale - Associazione Astrofili Urania

Associazione Astrofili Urania
Le possibilità di ricerca per gli astrofili nello spettro radio.
Stefano Bologna, IZ1BPN
La radioastronomia amatoriale
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.
La radioastronomia amatoriale
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.
La radioastronomia amatoriale
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.
1967 scoperta delle pulsar (Hewish e Bell).
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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.
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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).
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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.
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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.
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Come è fatto un radiotelescopio
Un radiotelescopio sarà generalmente costituito dai seguenti componenti:
Preamplificatore a
basso rumore (LNA)
Antenna
Sistema di
acquisizione
Linea coassiale a
bassa perdita
Ampli RF e filtro
passa banda
Ampli e filtro I.F.
Oscillatore locale
Ricevitore radio
Rivelatore
quadratico
Integratore
La radioastronomia amatoriale
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.
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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.
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Cosa è alla portata dell’astrofilo.
L’intensità del segnale radio emesso da una radiosorgente si misura in Jansky.
1 Jy = 10-26
Le più intense sorgenti radioastronomiche sono:
W
m 2 • Hz
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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.
La radioastronomia amatoriale
Alcuni esempi...
Misura del flusso di radiosorgenti:
Taurus A
3
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2.5
dB
2
1.5
1
0.5
2092
1969
1846
1723
1600
1477
1354
1231
1108
985
862
739
616
493
370
247
1
124
2398
2257
2116
1975
1834
1693
1552
1411
1270
1129
988
847
706
565
424
283
1
0
142
dB
Sole
Time [s]
Time [s]
Sole
Taurus A (resto di supernova)
f = 1420 MHz (idrogeno neutro)
f = 1420 MHz (idrogeno neutro)
Flux: 400000 Jy
Flux: 700 Jy
Antenna: 4m dish
Antenna: 5m dish
Integrazione: 10s
Integrazione: 20s (periodo della pulsar 30 ms )
La radioastronomia amatoriale
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.
La radioastronomia amatoriale
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)
La radioastronomia amatoriale
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]
3
PSR 033-45
0.089
1.7
4.5
235
1
PSR 0329 + 54
0.714
8.7
1.7
138
PSR 1749 - 28
0.562
6.0
0.9
83
PSR 0531 + 21
0.033
1.9
0.5
8
PSR 1919 + 21
1.337
25
0.1
8
PSR 1133 + 16
1.187
18
0.1
7
PSR 2016 + 28
0.557
14
0.2
7
PSR 0834 + 06
1.273
17
0.1
6
PSR 0950 + 08
0.253
9.5
0.2
6
2
La radioastronomia amatoriale
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 0033 +45
0.089 s
psr 0950 +08
0.253 s
psr 0329 +54
0.714 s
La radioastronomia amatoriale
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.
La radioastronomia amatoriale
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.
La radioastronomia amatoriale
E.M.E.
I parametri fisici
Attenuazione di tratta
A ≈ λ2 /(4π
πD)2
Esprime l’attenuazione subita dal segnale radio nel percorrere la distanza Terra-Luna-Terra.
per f = 432 MHz (banda TV UHF)
Efficienza di
riflessione del suolo
A ≅ 260 dB ovvero 0.000…(26 zeri)…1 !!
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 !
La radioastronomia amatoriale
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
La radioastronomia amatoriale
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
Echi IZ1BPN fonia
DF4PV fonia: “Delta Fox Four Papa Victor…”
La radioastronomia amatoriale
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.
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S.E.T.I. : Strategie di ricerca.
Su
Su quali
quali frequenze
frequenze cercare
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.
La radioastronomia amatoriale
S.E.T.I. : Strategie di ricerca.
Segnali radio artificiali:
banda stretta = energia
tutta concentrata su di una
sungola frequenza
Di origine TERRESTRE
(RFI)
DA SORGENTI REMOTE:
Che
Che segnale
segnale radio
radio cercare
cercare ??
Effetto doppler
confronto con seconda antenna
omnidirezionale (RFI)
Segnali radio naturali:
emissione a banda larga
confronto con antenne distanti
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L’osservatorio Urania
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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)
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L’osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO)
Radioastronomia
S.E.T.I.
E.M.E
2398
2257
2116
1975
1834
1693
1552
1411
1270
988
1129
847
706
565
424
283
1
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
142
dB
Sole
Time
Studio dell’attività
solare
Progetto Argus
(Seti League)
www.setileague.org
Collegamenti via
Luna nel corso di
manifestazioni
EME
internazionali
La radioastronomia amatoriale
L’osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO)
Lavori in corso...
Nuova parabola
da 8m
La radioastronomia amatoriale
L’osservatorio di Luserna S.Giovanni (TO)
Lavori in corso...
Ricevitore Software
Defined Radio per
RA e SETI
⇒ Studio delle nubi di H galattiche
⇒ mappatura della galassia sulla riga H
⇒echi lunari anche in fonia (voce)
Nuovo
amplificatore per
EME
⇒SETI e studio dei N.E.O. mediante
echi radio
La radioastronomia amatoriale
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)