INTRODUZIONE ALLA RADIOASTRONOMIA
(documento tradotto e riadattato da http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/Introradastro.html)
La radioastronomia è lo studio delle frequenze radio emesse dalle stelle, galassie e altri oggetti celesti. Le
onde radio sono prodotte naturalmente da fulmini e oggetti astronomici; sono prodotte anche
artificialmente ed utilizzate per la tecnologia di trasmissione. Molti radiotelescopi sono situati in tutto il
mondo e hanno contribuito a scoprire nuovi tipi di stelle e galassie che non emettono luce e rimangono
invisibili ai telescopi tradizionali.
L'atmosfera terrestre assorbe la maggior parte della radiazione elettromagnetica: infrarossi, ultravioletti,
raggi X, raggi gamma; ci sono solo due finestre atmosferiche, nelle bande di frequenza delle onde radio e
del visibili che sono adatte per l'astronomia a terra. La finestra visibile è relativamente stretta; si estende la
lunghezza d'onda di picco di emissione termica di corpo nero da circa 3000K a circa 10000 K.
Dal momento che siamo in grado di vedere la luce visibile anche senza l'ausilio di strumenti, la prima
astronomia osservativa era limitata agli oggetti visibili, per esempio stelle, ammassi e galassie di stelle, gas
caldo ionizzato da stelle e gli oggetti brillanti dalla luce stellare riflessa (ad esempio, i pianeti e la luna).
Conoscendo lo spettro della radiazione di corpo nero, gli astronomi un secolo fa hanno dedotto
correttamente che le stelle, avendo spettri assimilabili a quelli di un corpo nero si comportano come deboli
sorgenti radio, ed hanno erroneamente supposto che non ci sarebbero state altre sorgenti radio
astronomiche. La nascita della radioastronomia si può far risalire ad alcune osservazioni casuali effettuate
nel 1932 da radio ingegneri. Il catalizzatore per la nascita di questo nuovo sottocampo astronomia è stato
Karl Jansky (vedi biografia) che è considerato il "padre della radioastronomia".
Le finestre atmosferiche
Astronomia da terra è limitata alle finestre atmosferiche (onde radio, frequenza dello spettro
elettromagnetico visibile) in cui la maggior radiazioni possono raggiungere il suolo. La finestra radio è molto
più larga della finestra visibile quando tracciata in funzione della lunghezza d'onda o della frequenza in
scala logaritmica, quindi comprende una vasta gamma di sorgenti astronomiche e meccanismi di emissione.
In figura è riportata la lunghezza d'onda in funzione dell'assorbimento. I radioastronomi di solito misurano
(e pensano in termini di) frequenze invece che di lunghezze d'onda. La riflessione ionosferica (non
l'assorbimento) impedisce ai fotoni con lunghezze d'onda maggiori di 30 m di raggiungere il suolo. Nel
grafico è mostrata anche la quota alla quale metà della radiazione incidente viene assorbita dall'atmosfera.
Quali processi fisici limitano la finestra radio?
Alle alte frequenze le molecole presenti nell'atmosfera CO2, O2 e H2O hanno transizioni vibrazionali con
energie comparabili con quelle di fotoni medio infrarosso. A bassa energia transizioni rotazionali di
molecole atmosferiche definiscono la piuttosto ampia banda di transizione sino al limite del lontano
infrarosso della finestra radio. Vi è inoltre un picco di assorbimento a frequenze minori di 300 MHz
(lunghezze d'onda maggiori di 1 m =108 A) come mostrato in figura. Le onde radio cosmiche con frequenze
di 10 MHz (lunghezze d'onda di 30 m) sono di solito riflesse nello spazio dalla ionosfera terrestre.
Qui bisognerebbe spiegare l'assorbimento delle molecole in IR
Anche le condizioni atmosferiche, in particolare la presenza di vapore acqueo possono disturbare la
ricezione delle onde radio. Il clima secco favorisce le osservazioni in banda radio.
Astronomia nella finestra Radio
La finestra radio è eccezionalmente ampia, copre frequenze dai 10 MHz ad 1 THz. Questa ampiezza ha
conseguenze sia scientifiche che pratiche. Si possono studiare una grande varietà di sorgenti astronomiche,
meccanismi di radiazione termici e non termici, e vari fenomeni di propagazione. Per coprire lo spettro
radio in modo efficace sono necessari una vasta gamma di telescopi radio e di tecniche di osservazione.
La finestra delle onde radio è stata utilizzata dagli astronomi prima che fosse possibile osservare in altre
bande di frequenza con telescopi al di sopra dell'atmosfera. All'inizio la radioastronomia permise di rivelare
un "universo parallelo" di fonti inaspettate, mai visto, o almeno non riconosciuto come diverso dalle stelle,
da astronomi ottici.
Le principali scoperte della radioastronomia includono:
- Radiazioni non termiche dalla nostra galassia e molte altre fonti astronomiche
- L'universo violento della radio galassie e quasar alimentati da buchi neri supermassicci
- Evoluzione cosmologica di radio galassie e quasar
- Emissione termica da atomi di gas interstellare a bassa temperatura
- L'emissione coerente (maser) da ioni e molecole interstellari, stelle e pulsar
- Radiazione cosmica di fondo dal big bang caldo
- Le stelle di neutroni
- Una prova indiretta ma convincente per radiazione gravitazionale
- Prove per la materia oscura, dedotto dalle curve di rotazione delle galassie HI
- Pianeti extrasolari
Alcune caratteristiche di questo 'universo parallelo' sono:
- E' spesso violento, cioè presenta fenomeni esplosivi in galassie, quasar, supernovae, pulsar.
- È pieno di sorgenti alimentate per gravità invece che per fusione nucleare, principale fonte di energia per
le stelle visibili.
- È cosmologicamente lontano. La maggior parte delle sorgenti radio continue sono extragalattiche, e la
maggior parte di esse risale a tempi remoti comparabili con l'età dell'universo.
- Può essere molto freddo. La radiazione cosmica di fondo domina l'energia elettromagnetica dell'universo,
ma il suo spettro di corpo nero 2.7 K si limita a segnali radio e nel lontano infrarosso. Gas interstellari freddi
emettono linee spettrali a lunghezze d'onda radio.
Con l'avvento dell'astronomia dallo spazio (telescopi portati in orbita al di fuori dell’atmosfera terrestre)
l'intero spettro elettromagnetico è diventato accessibile. Molte fonti scoperte da astronomi radio possono
essere ora studiate in altre bande di frequenza, e nuovi oggetti scoperti in altre bande di frequenza (ad
esempio, lampi di raggi gamma) possono ora essere osservate anche a lunghezze d'onda radio. La
radioastronomia non è più un campo di ricerca separato; è parte integrante dell'astronomia che ormai si
avvale di studi di radiazioni a tutte le lunghezze d'onda. La banda radio tuttavia conserva diverse
caratteristiche astronomiche e tecniche uniche.
La maggior parte dell'energia elettromagnetica dell'universo consiste nella radiazione cosmica di fondo
proveniente dal big bang e si trova nel campo delle microonde. Ha un emissione quasi perfettamente
assimilabile a quella di un corpo nero alla temperatura di 2.73 K, con picchi di emissione a lunghezze d’onda
di circa 1 mm.
Il forte picco nella zona dell’ultravioletto e ottico (con lunghezze d’onda intorno al micrometro) è dovuto
principalmente all’emissione termica dalle stelle, più un contributo minore di emissione termica e non
termica dai nuclei galattici attivi, in alcune galassie e nei quasar.
La maggior parte dell’emissione infrarossa (con un picco a 100 micrometri) è dovuta alla riemissione da
polvere interstellare che si riscalda assorbendo circa la metà della radiazione UV / ottica.
I raggi X e raggi gamma provengono da fondi cosmici e sono miscele di emissione non termica (per
esempio, la radiazione di sincrotrone) da particelle ad alta energia accelerate e emissione termica da gas
molto caldi (ad esempio, gas in ammassi di galassie ).
In confronto l’emissione radio da sorgenti cosmiche, di lunghezza d’onda intorno ad un metro, è
estremamente debole. Anche se può essere insignificante da un punto di vista dell’energia emessa, lo
studio delle sorgenti radio permette di analizzare la maggior parte dei fenomeni che sono rilevabili in altre
porzioni dello spettro elettromagnetico, e i moderni radiotelescopi sono sufficientemente sensibili per
rilevare emissioni radio estremamente deboli.
