Ricerca di segnali
radio artificiali da
esopianeti:
progetto
S.P.O.C.K.
Prima parte
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.
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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)
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3
Le onde elettromagnetiche
Le loro
proprietà
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.
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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
(negli anni ’20), mentre svolgeva un lavoro di ricerca di tutt’altro genere,
con quella che fu chiamata “l’antenna a giostra”
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Jansky
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.
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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
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7
Cosa produce i segnali radio in arrivo dallo spazio ?
STELLE
Radio GALASSIE
resti di
SUPERNOVAE
NEBULOSE
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e...
8
Cosa produce i segnali radio in arrivo dallo spazio ?
...PULSAR...
psr 0329+54 0.714s
Jocelyn Bell (studentessa, 1967)
≈ 2 x 1011 Kg/cm3 → 200 milioni di tonnellate
per centimetro cubo !
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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.
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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.
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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)
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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
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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.
H2O liquida VITA (cosi’
come la conosciamo)
H2O 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)
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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
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Pianeti…o lune
Non solo i pianeti potrebbero
supportare la vita:
(Puerto Rico University)
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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.
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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.
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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.
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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.
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20
Strategie di ricerca: che tipo
di segnali radio cercare ?
Segnali radio artificiali:
banda stretta = energia
tutta concentrata su di una
singola frequenza
Il progetto SPOCK
Di origine TERRESTRE
(RFI, interferenze radio)
DA SORGENTI REMOTE:
Segnali radio
dal cosmo
Effetto doppler
Segnali radio naturali:
emissione a banda larga
Verifiche:
confronto con seconda antenna
remota;
verifica puntamento antenna
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21
Segnali candidati già osservati?
Il progetto SPOCK
Wow! Signal
15 agosto 1977
Radiotelescopio
dell’Ohio
Candidati SETI@home
1999 – 2008, Radiotelescopio di Arecibo
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22
RA [sexagesimal] RA [dec. deg] Dec [sexagesimal]
Il progetto SPOCK
2x2deg
ExoPlanetGroup
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…..
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG1
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG2
EPG3
EPG3
EPG3
EPG3
RA
DEC
RA.dec
DEC.dec
19h41m41,8s 50° 42' 32,2"
295,424293 50,708958
19h16m47,8s 50° 53' 41,1"
289,199086 50,894745
19h03m13s
50° 9' 52,9"
285,804382 50,164684
Dec [dec. deg]
ra_str
ra
dec_str
dec
pl_name
19h45m27.96s
19h45m27.96s
19h45m12.47s
19h45m12.47s
19h44m36.34s
19h44m36.34s
19h43m15.88s
19h43m15.88s
19h41m40.30s
19h41m40.30s
19h40m54.35s
19h40m54.35s
19h40m54.35s
19h40m54.35s
19h37m21.23s
19h37m21.23s
19h35m53.61s
19h35m53.61s
19h22m29.24s
19h22m29.24s
19h20m19.86s
19h20m19.86s
19h19m19.23s
19h19m19.23s
19h19m03.26s
19h17m33.12s
19h17m33.12s
19h16m18.17s
19h14m02.55s
19h13m59.00s
19h13m59.00s
19h12m24.21s
19h12m24.21s
19h11m59.49s
19h11m59.49s
19h04m58.43s
19h02m43.05s
19h02m43.05s
19h02m27.68s
296,366516
296,366516
296,301941
296,301941
296,151398
296,151398
295,816162
295,816162
295,417908
295,417908
295,22644
295,22644
295,22644
295,22644
294,33847
294,33847
293,973358
293,973358
290,621826
290,621826
290,082764
290,082764
289,830109
289,830109
289,76358
289,388
289,388
289,075714
288,51062
288,495819
288,495819
288,100861
288,100861
287,997894
287,997894
286,243439
285,679382
285,679382
285,615326
+51d19m10.3s
+51d19m10.3s
+50d40m20.3s
+50d40m20.3s
+50d05m44.9s
+50d05m44.9s
+51d07m18.3s
+51d07m18.3s
+51d11m05.2s
+51d11m05.2s
+50d33m32.4s
+50d33m32.4s
+50d33m32.4s
+50d33m32.4s
+50d20m11.6s
+50d20m11.6s
+50d31m54.9s
+50d31m54.9s
+51d03m26.3s
+51d03m26.3s
+50d51m48.5s
+50d51m48.5s
+50d35m10.5s
+50d35m10.5s
+51d57m45.4s
+50d35m49.4s
+50d35m49.4s
+51d45m26.8s
+51d09m44.9s
+51d04m55.0s
+51d04m55.0s
+50d02m01.4s
+50d02m01.4s
+50d56m39.6s
+50d56m39.6s
+50d02m25.4s
+50d14m28.7s
+50d14m28.7s
+50d08m08.7s
51,319523
51,319523
50,672318
50,672318
50,095806
50,095806
51,121742
51,121742
51,184765
51,184765
50,559006
50,559006
50,559006
50,559006
50,336544
50,336544
50,531914
50,531914
51,057304
51,057304
50,863483
50,863483
50,586246
50,586246
51,962601
50,59705
50,59705
51,757439
51,162472
51,081947
51,081947
50,033718
50,033718
50,944332
50,944332
50,040382
50,241299
50,241299
50,135754
Kepler-233 b
Kepler-233 c
Kepler-394 b
Kepler-394 c
Kepler-181 b
Kepler-181 c
Kepler-232 b
Kepler-232 c
Kepler-419 b
Kepler-419 c
Kepler-197 b
Kepler-197 c
Kepler-197 d
Kepler-197 e
Kepler-385 b
Kepler-385 c
Kepler-231 b
Kepler-231 c
Kepler-391 b
Kepler-391 c
Kepler-401 b
Kepler-401 c
Kepler-182 b
Kepler-182 c
PH2 b
Kepler-373 b
Kepler-373 c
Kepler-16 b
Kepler-413 b
Kepler-155 b
Kepler-155 c
Kepler-50 b
Kepler-50 c
Kepler-113 b
Kepler-113 c
Kepler-12 b
Kepler-10 b
Kepler-10 c
Kepler-4 b
…qualche candidato
E.T.I.
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
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Prima parte
23
Il progetto SPOCK
La Domanda…
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Prima parte
24
Bibliografia:
Cosa sono le onde elettromagnetiche.
https://www.youtube.com/watch?v=FyNgs_viwBg
Una divertente lezione di Walter Lewin:
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)
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Prima parte
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