Flavio Falcinelli

Il segnale radio in arrivo dallo spazioLo studio del cosmo con gli strumenti radioelettrici

Le possibilità della radioastronomia amatoriale

Flavio Falcinelli

La radioastronomia studia i corpi celesti analizzando la loro radiazione elettromagnetica nell’intervallo spettrale delle onde radio grazie ai radiotelescopi (nel campo di frequenze tipicamente compreso fra 20 MHz e 300 GHz).Tali oggetti sono chiamati Radiosorgenti, termine generico che identifica qualsiasi corpo caratterizzato da emissioni radio misurabili.Le radiosorgenti, in funzione del loro meccanismo di emissione specifico e prevalente, possono esibire caratteristiche fisiche e radiative molto diverse fra loro.

radio waves

receiver wherewaves are collected

wavesconverted intoelectro signals

computerreceived as signal

Radiotelescopio

Mappa radio del cielo a 408 MHz

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L’analisi dei segnali ricevuti consiste nel determinare l’intensità delle radiazioni cosmiche captate dalle diverse direzioni dello spazio e per differenti lunghezze d’onda, oltre al loro grado di polarizzazione.

Ulteriore campo di indagine consiste nell’analizzare le caratteristiche spettrali dei segnali ricevuti per ottenere importanti informazioni sugli oggetti radioemittenti (radio-spettrometria).

Radiomappa del quasar 3C179

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E’ composto da un sistema di antenna, da linee di trasmissione che convogliano il segnale ricevuto verso un ricevitore, da dispositivi per l’elaborazione e la registrazione dei dati acquisiti.

La struttura comprende anche gli organi di controllo e di puntamento.

Concettualmente un radiotelescopio non è troppo differente da un normale apparato radio-ricevente, anche se alcune caratteristiche peculiari sono specializzate per garantire il corretto trattamento dei debolissimi segnali ricevuti.

Unità di misura della densità di flusso delle radiosorgenti:1 Jy = 1 f.u. = 10-26 W/(m2 * Hz)

chiamata JANSKY (Jy)

RADIOTELESCOPIOstrumento che consente di misurare e registrare il flusso radio emesso dalle sorgenti celesti.

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• Segnali ricevuti molto deboli (livelli di potenza tipici compresi fra 10-15 e 10-20 W) con caratteristiche analoghe a quelle di un rumore.

• Problemi con il rumore interno, con le fluttuazioni di guadagno e di temperatura del ricevitore (sono di grande ampiezza se confrontate con le variazioni del segnale utile).

• Livello del segnale molto inferiore al rumore di fondo.

• Problemi con le interferenze elettromagnetiche di origine artificiale.

• Problemi con il rumore naturale proveniente dal terreno, dall’atmosfera, etc….

Difficoltà tecniche in radioastronomia

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La storia…La radioastronomia è nata casualmente nel 1931 per opera di K. Jansky, un radioingegnere (Bell & Teleph.) impegnato nello studio dei disturbi elettromagnetici artificiali e naturali.

Egli costruì uno strumento radio orientabile in azimuth in grado di misurare, registrare ed analizzare i disturbi elettromagnetici che interferivano le prime radiocomunicazioni commerciali.

Il primo rudimentale radiotelescopio (1931):nelle intenzioni iniziali, era uno strumento sviluppato per l’analisi dei radio-disturbi che ostacolavano le prime radiocomunicazioni internazionali.E’ la famosa “giostra di Jansky” funzionante alla frequenza di 20.5 MHz.

La struttura, in grado di ruotare di 360 , era organizzata come un array di antenne loop quadrate collegato ad un ricevitore appositamente costruito.

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Riproduzione delle registrazioni originali di Jansky del 16 Settembre 1932

Emissione radio proveniente dal centro della galassia(Sagittario)

Spostamento della sorgente con le stagioni e coincidenza delle osservazioni dopo un anno: origine extraterrestre dell’emissione radio.

Se “ascoltata” in altoparlante, l’emissione radio si manifesta come un “soffio”, un “sibilo” di rumore: origine naturale della radiazione.

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Primo impianto intenzionalmente costruito per osservazioni radioastronomiche:

paraboloide orientabile (9 metri di diametro) e ricevitore di G. Reber funzionanti a 160 MHz con il quale è stato possibile compilare la prima “radiomappa” (sky survey) della Galassia (1944).

La prima sky survey del cielo realizzata da Reber alla frequenza di 160 MHz (pubblicata in “Astrophysical Journal” nel 1944).

L’antenna costruita da Reber nel giardino di casa.

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Differenze fra astronomia ottica e radioastronomia

La capacità di risolvere fini dettagli spaziali (potere risolutivo) è dipendente dalla lunghezza d’onda della radiazione.

Un telescopio ottico con 10 cm di apertura è in grado di risolvere dettagli che richiederebbero l’utilizzo di un radiotelescopio con un diametro superiore a 42 Km (alla frequenza di 1420 MHz)!

La sensibilità dello strumento, indipendentemente dalla lunghezza d’onda operativa, è proporzionale all’area efficace dell’antenna.

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Proprietà trasmissive dell’atmosfera terrestre per la radiazione elettromagnetica. Il grafico illustra schematicamente l’altezza dell’atmosfera dove la radiazione è attenuata di un fattore 1/2.

Osservazioni radio dalla superficie della Terra.

I disturbi atmosferici e artificiali sono molto importanti alle basse frequenze, mentre diventano trascurabili nella banda delle microonde.E' quindi possibile installare un radiotelescopio amatoriale a 10-12 GHz anche in zone urbane.

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Principali radiosorgenti Distribuzione spettrale delle più note radiosorgenti.Il “Sole quieto” (alle frequenze più basse), la Luna e la Regione H II di Orion A sono esempi di corpi neri (radiazione termica).Il “Sole attivo”, i resti di supernova come Cassiopeia A, le radio-galassie come Cygnus A, Virgo A e il Quasar 3C273 sono esempi di radiosorgenti non-termiche.La banda grigia che rappresenta lo spettro di 3C273 indica fenomeni di radiazione non stazionari nel tempo.

A queste frequenze operative la radiazione solare è essenzialmente di natura termica (radiazione del “Sole quieto”).E’ possibile studiare il Sole con antenne di piccolo diametro.Alla componente termica del Sole sono spesso sovrapposti bursts: studio dei flares solari a microonde.

Emissione termica della Luna.E’ una radiosorgente relativamente “facile”, ricevibile con antenne di piccolo diametro.

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E' possibile parlare di radioastronomia amatoriale?Quali sono gli strumenti utilizzabili?

Uno sguardo sulle concrete possibilità di ricerca aperte ai radioastronomi dilettanti e sulla strumentazione realizzabile e commercialmente disponibile...

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I potenti mezzi a disposizione della ricerca radioastronomica…

complessità e costi “astronomici”…

Il piccolo ed economico radiotelescopio amatoriale…

25 metri

2 - 3 metri

Un confronto superficiale può scoraggiare qualsiasi tentativo di approccio alla radioastronomia amatoriale…Maggiore è la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica interessata, enorme appare il divario fra la radioastronomia professionale e quella amatoriale, se il confronto è impostato sui criteri della competizione scientifica.

Radioastronomia professionale

Radioastronomia amatoriale

Una prima riflessione…

Very Large Array NRAO a Socorro (New Mexico – USA)

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Occuparsi seriamente di radioastronomia amatoriale significa impostare un’attività sperimentale dove singole persone o gruppi di appassionati (radioamatori, astrofili…) possono condurre interessanti attività, anche di supporto alla ricerca ufficiale.

Devono essere ben chiari i limiti raggiungibili e ferma la volontà di investire tempo e pazienza nel corretto approccio verso una disciplina che si manifesta in maniera assai meno immediata e “spettacolare” rispetto ad altre tecniche osservative (come ad esempio l’astronomia ottica).

Noi non siamo sensibili alle onde radio: la “visualizzazione” dello scenario osservato e “l’estrazione” dell’informazione che deriva dalla sua osservazione non è immediata.Servono strumenti (i radiotelescopi) in grado di rivelare i segnali radio e trasformarli in informazioni utilizzabili.Tali difficoltà contribuiscono a rendere, agli occhi del profano, la radioastronomia molto meno accessibile ed “oscura” rispetto all’astronomia ottica.

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Ottica:Data la lunghezza d’onda della radiazione visibile e la struttura dei nostri occhi, siamo in grado di visualizzare direttamente lo scenario osservato in forma di immagine a colori con sufficiente grado di dettaglio per le nostre esigenze di sopravvivenza quotidiana. L’utilizzo di sistemi di amplificazione ottica, insieme con opportune geometrie di apertura strumentale, consente di incrementare la sensibilità dei nostri sensi per osservare meglio e più lontano.

Radio:La lunghezza d’onda molto maggiore della radiazione, insieme alla necessità di utilizzare opportuni “trasduttori” che rivelano l’informazione proveniente dallo scenario osservato, rende difficoltosa e non immediata la formazione di “immagini radio”: sono necessari complessi, costosi ed ingombranti mezzi strumentali per ottenere dati di “qualità visiva” paragonabili a quelli ottici. Tali difficoltà, ben note a chi si occupa di radioastronomia professionale, si amplificano quando si parla di radioastronomia amatoriale.Se l’approccio dell’appassionato avviene con la mentalità acquisita durante l’esperienza in ottica, saranno deboli le motivazioni per iniziare e, soprattutto, continuare una valida esperienza di radioastronomia amatoriale.

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Radiotelescopi a microondenella banda 10-12 GHz

Facilmente realizzabili a livello amatoriale utilizzando componenti e moduli commerciali provenienti dal mercato della TV-SAT (comprese le antenne).

I ricevitori in banda 10-12 GHz sono relativamente immuni ai disturbi radio artificiali: è quindi possibile installare con successo un piccolo radiotelescopio anche in zona urbana.

Purtroppo, le radiosorgenti in questa banda di frequenze non sono molto numerose, né potenti: per osservarle sono indispensabili antenne di dimensioni non trascurabili.Con piccole antenne (da 0.60 a 1.5 metri) sono possibili ottime osservazioni del Sole (componente termica della radiazione, monitoraggio dei flares solari a microonde) e della Luna.

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Gli appassionati di scienza interessati alla radioastronomia possono iniziare un'affascinante e stimolante attività di ricerca amatoriale pur non essendo esperti di elettronica e di tecnologie radio.RadioAstroLab, azienda leader in questo settore, offre un'ampia gamma di strumenti per ogni esigenza e portafoglio, in modo da consentire a chiunque di accostarsi, con il necessario supporto, a questa meravigliosa disciplina.

Il nostro ufficio tecnico e i laboratori sono a disposizione degli appassionati per qualsiasi approfondimento sulla radioastronomia amatoriale.Adeguato supporto per ogni esigenza di utilizzo e di personalizzazione degli strumenti.

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La serie di strumenti RAL10 è completa: dal kit di moduli premontati e tarati per chi ama “sporcarsi le mani” costruendo un piccolo radiotelescopio nel giardino di casa, fino alla strumentazione più sofisticata e pronta all'uso, accessori come il sistema di antenna e la montatura necessaria per il corretto puntamento delle radiosorgenti.In questo modo è semplice installare un radiotelescopio a microonde gestibile a distanza anche attraverso internet. E' incluso il software che consente l'acquisizione e l'archiviazione automatica dei dati attraverso il PC.Sono descritte le caratteristiche importanti di ogni prodotto: è possibile ottimizzare e personalizzare le prestazioni e sono realizzabili, previa valutazione del nostro ufficio tecnico, modifiche e soluzioni hardware “ad hoc” per soddisfare particolari esigenze.

www.radioastrolab.it

www.radioastrolab.com

RAL10Total-Power Microwave Radiometers

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RAL10KITUno strumento semplice e funzionale, sviluppato per gli appassionati che vogliono “sporcarsi le mani” con la radioastronomia: sono forniti i componenti critici del ricevitore. Tutto il resto è commerciale.Lo sperimentatore personalizza il radiotelescopio secondo le proprie esigenze.

La confezione comprende il modulo radiometrico microRAL10, la scheda interfaccia USB per il collegamento con il PC, le istruzioni di assemblaggio e il software di gestione.I moduli sono premontati: si completa lo strumento con un adatto contenitore, un alimentatore, un cavo coassiale e una comune antenna con LNB funzionante nella banda TV-SAT 10-12 GHz.Si è realizzato il primo radiotelescopio a microonde.

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RAL10APE' il più piccolo radiometro della serie RAL10 completo, assemblato e pronto all'uso, “fratello maggiore” di RAL10KIT. Le caratteristiche base del ricevitore sono identiche a quelle del precedente dispositivo, lo strumento è fornito già montato in un robusto ed elegante contenitore metallico.

Per iniziare a lavorare è sufficiente collegare l'antenna (con LNB), l'alimentatore e il PC: attivando il software DataMicroRAL10 si avvia l'acquisizione delle misure.Caratteristica peculiare di RAL10AP è un'uscita audio (prelevata a valle del rivelatore) utile a scopo di monitoraggio.L'interfaccia di collegamento USB al PC e il software di gestione sono identici a quelli di RAL10KIT e l'energia è fornita tramite un alimentatore esterno a 12 V o una batteria ricaricabile.

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Software DataMicroRAL10 di acquisizione e di controllo per RAL10KIT e RAL10AP

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Osservazione amatoriale del transito solare con una parabola satellitare e il ricevitore RAL10AP: un radiotelescopio semplice, economico, perfettamente funzionante, con elevato valore didattico.

Ricevitore RAL10AP durante l'osservazione del Sole.

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Esempio di registrazione effettuata con RAL10KIT:

Il profilo di brillanza della Luna (in alto) è la convoluzione fra la temperatura di brillanza dello scenario e la funzione guadagno di antenna. L’antenna di un radiotelescopio “smussa” la vera distribuzione di brillanza: l’entità della distorsione è dovuta alle caratteristiche di “filtraggio” spaziale dell’antenna ed è legata al rapporto fra le dimensioni angolari del fascio di ricezione e quelle apparenti della radiosorgente. Nessuna distorsione si verifica se il diagramma di ricezione dell’antenna è molto stretto rispetto all’estensione angolare “radio” della sorgente.Confronto fra la registrazione simulata del transito lunare e l'osservazione reale (grafico in basso) effettuata con RAL10KIT da un nostro cliente.

Moon

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Esempio di registrazione effettuata con RAL10AP:

Le registrazioni mostrano i segnali radar in banda X (10 GHz) delle imbarcazioni quando l'antenna è orientata verso il mare.

Prova di “ascolto”:

Si è utilizzata l'unità esterna RAL10_LNB equipaggiata con un'antenna horn tronco-piramidale (20 dB), posizionate su un cavalletto fotografico.

Un PC portatile acquisisce il segnale radiometrico a 11.2 GHz con il software DataMicroRAL10, mentre è contemporaneamente registrato il segnale audio proveniente dal rivelatore (uscita audio di post-rivelazione di RAL10AP), in forma di spettrogramma (software free Spectrum Lab).

Segnale radiometrico proporzionale alla potenza della radiazione captata dall'antenna

Spettrogramma: visualizza l'andamento nel tempo delle componenti in frequenza del segnale ricevuto

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Questi esperimenti, pur nella loro apparente semplicità, sono didatticamente importanti perchè consentono, con immediatezza ed economia, di conoscere e sperimentare le varie problematiche che riguardano l'osservazione radioastronomica.

Sono presenti i blocchi fondamentali che costituiscono un radiotelescopio, anche se di struttura elementare, e sono affrontate le problematiche che rendono inizialmente “oscura” la tecnica radioastronomica:

● Struttura di un radiotelescopio.● Familiarizzazione con la tipologia dei segnali ricevuti, la loro dinamica e la loro

variabilità nel tempo.● Concetto di temperatura di brillanza dello scenario osservato (radiazione del

terreno, del “cielo freddo”, etc...).● Orientamento del sistema di antenna e caratteristiche principali del “campo di

vista” del radiotelescopio.● Pratica dei sistemi di acquisizione e di riduzione dei dati.

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Installazione pilota presso l'osservatorio astronomico del Museo Del Balì (PU).

Radiotelescopio completo, automatizzato e controllabile da remoto: ricerca radioastronomica dilettantistica avanzata alla portata degli sperimentatori, degli astrofili, dei radioamatori, degli studenti.

La ricerca radioastronomica semi-professionale: RAL10+RAL230ANTRadiotelescopio a 11.2 GHz con antenna diametro 2.3 metri.

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Transiti della radiosorgente Taurus A (M1) registrati con RAL10 e l'antenna RAL230ANT.La tecnica del transito consiste nell’identificare l’oggetto di cui si vuole registrare l’emissione radio, puntare lo strumento nella zona di cielo interessata dal transito dell'oggetto nel prossimo futuro (ad esempio 30 minuti dopo) e fermare il radiotelescopio in quella posizione. A causa della rotazione apparente del cielo (rotazione terrestre), l’oggetto si sposterà verso l’area di cielo “vista” dall’antenna, sarà intercettato dal fascio di ricezione e passerà oltre.Nell'esperimento sono stati programmati 5 transiti consecutivi della stessa zona di cielo, ampi 4 gradi ciascuno: il software RadioUniverse (che controlla il ricevitore RAL10 e l'antenna RAL230ANT) registra automaticamente i transiti. Si elaborano successivamente le misure calcolando la media dei valori (traccia di colore rosso) per ridurre il rumore casuale e incrementare la visibilità della sorgente radio.

Registrazione di debolissimi segnali radio (rumori, come soffi immersi nel fruscio di fondo del radioricevitore...) provenienti da un oggetto celeste distante circa 6500 anni luce.Questo significa che quel debole picco nel segnale radio catturato dal radiotelescopio è partito dalla sorgente tanto tempo fa...Taurus A è ciò che rimane (Nebulosa del Granchio) della supernova osservata per la prima volta dagli astronomi cinesi nel 1054.

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Transiti della radiosorgente Cassiopea A registrati con RAL10 e l'antenna RAL230ANT.Cassiopea A è un oggetto “quasi puntiforme”, spesso utilizzato dai radioastronomi come radiosorgente campione per verificare le caratteristiche dell'antenna di un radiotelescopio. Interessa misurare il parametro HPBW (Half Power Beam Width) che rappresenta l'ampiezza a metà potenza del lobo principale dell'antenna (espresso in gradi), in sostanza il suo campo di vista.Analizzando le registrazioni (traccia arancione che rappresenta la media calcolata su 5 transiti consecutivi) si vede come il tempo impiegato da Cassiopea A per attraversare i due punti a metà potenza (indicati dalle righe verticali) sia pari a circa 6 minuti. Considerando che la sua declinazione è δ=59°, si ricava il valore HPBW=0.8° .

Cassiopea A (distante circa 7500 anni luce) è il resto di una stella supernova esplosa ed osservata per la prima volta da Tycho Brahe l'11 novembre 1572.

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Sono realizzabili “immagini radio” (sky surveys) dello scenario celeste “visto” dall’antenna di un radiotelescopio amatoriale?E’ possibile costruire “immagini radio” della zona di cielo studiata realizzando mappe in falsi colori che riportano la distribuzione spaziale dell’intensità (o di altre proprietà) del segnale ricevuto.Un radiotelescopio a singola antenna è l’analogo di una lente o di uno specchio con una fotocellula montata sul punto focale: per realizzare una mappa della radio-brillanza del cielo è necessario osservare la regione punto per punto.

Il modo più semplice:1) Puntare l’antenna del radiotelescopio al meridiano sulla declinazione di interesse;2) Attendere che la rotazione della Terra consenta la registrazione del segnale ricevuto in corrispondenza di ogni “strisciata” di cielo intercettata dal fascio di ricezione dell’antenna.

Modificando dopo ogni scansione la declinazione e ripetendo il processo di registrazione, si completa la mappatura del cielo, striscia per striscia.

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Il software RadioUniverse gestisce automaticamente e da remoto il radiotelescopio. Sono impostabili i parametri operativi dello strumento e i movimenti dell'antenna: programmando la funzionalità di “mappatura” di una specifica regione del cielo è possibile realizzare una “radio-immagine” con falsi colori della regione intercettata dal fascio di antenna.

Le funzionalità appena descritte sono realizzabili, in modo automatico e calibrato, con il radiotelescopio RAL10+RAL230ANT.

Flavio Falcinelli

Il software RadioUniverse controlla la posizione dell’antenna e i parametri di acquisizione del ricevitore RAL10PL.E' possibile non solo registrare il dato radiometrico proveniente dall'area di cielo osservata, ma anche programmare transiti o radio-immagini delle radiosorgenti.Una finestra mostra tutto il cielo con la posizione delle principali radio-sorgenti rispetto alle stelle e alle costellazioni.

Per registrare i deboli segnali radio emessi dalle sorgenti esterne al sistema solare è fondamentale l'elaborazione dei dati.Il software RUviz (RadioUniverseVisualizer) importa i dati catturati da RadioUniverse e li elabora in maniera molto semplice e veloce.E' possibile, partendo dalla registrazione di diversi transiti consecutivi dell'area del cielo osservata, realizzare radio mappe anche di sorgenti deboli come Cassiopea A o Taurus A.

Flavio Falcinelli

Grazie per l'attenzione

e.....

Arrivederci!