Proseguiamo la descrizione degli esperimenti realizzabili con il radiotelescopio SPIDER230 illustrando la registrazione del transito di Cassiopea A, resto di supernova tra gli oggetti più interessanti per la radioastronomia, la radiosorgente extrasolare più brillante del cielo nella banda delle microonde.
Nel visibile Cassiopea A è molto debole, dato che la sua radiazione è assorbita dalla polvere interstellare nel piano della via lattea. Questa radiosorgente è stata identificata nel 1947 (tra le prime registrate da un radiotelescopio) e la sua controparte ottica è stata scoperta nel 1950. Si pensa che la supernova che ha originato Cassiopea A sia esplosa 11000 anni fa e che la luce dell'esplosione abbia raggiunto la Terra circa 300 anni fa. Non si hanno notizie di un avvistamento di questa supernova, ma è possibile che la stella di sesta magnitudine 3 Cassiopeiae, catalogata da John Flamsteed il 16 agosto 1680, fosse proprio Cassiopea A.

 

Suggestive immagini di Cassiopea A nella banda del visibile

Suggestive immagini di Cassiopea A nella banda del visibile (a sinistra) e nella banda radio (a destra). L'immagine nel visibile è stata ripresa dal telescopio spaziale Hubble (NASA, ESA and the Hubble Heritage STScI/AURA-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgement: Robert A. Fesen - Dartmouth College, USA and James Long – ESA/Hubble), mentre l'immagine radio è stata ripresa dal radiotelescopio VLA (Image courtesy of NRAO/AUI).

 

Cassiopea A è una delle “radiosorgenti campione” spesso utilizzata dai radioastronomi per calibrare gli strumenti e determinare il diagramma di ricezione dell’antenna. Infatti la procedura prevede la registrazione del transito di una radiosorgente con diametro apparente molto piccolo rispetto all’ampiezza del lobo principale dell’antenna. Questo oggetto è ideale per verificare le prestazioni di SPIDER230 e ricavare l'ampiezza del lobo di ricezione del nostro strumento: oltre ad essere la sorgente campione più brillante, è caratterizzata da un andamento rettilineo dello spettro (in scala bi-logaritmica) su quasi tutta la banda radio, con una diminuzione secolare nella densità di flusso dell'ordine dell’1.1%/anno. Per ottenere il valore della densità di flusso di CasA nella banda da 20 MHz a 30 GHz si utilizza l’espressione:

 

 

dove il valore della costante A si ricava tenendo conto che S(1 GHz)=2723 Jy con indice spettrale n=-0.77 (epoca 1986). La seguente figura mostra i calcoli che sono stati eseguiti per ricavare lo spettro di Cassiopea A e la corrispondente intensità di emissione alla frequenza di 11.2 GHz, che vale circa 423 Jy (si è considerata la variazione secolare del flusso).

  Calcolo dello spettro di Cassiopea A

Calcolo dello spettro di Cassiopea A (andamento del flusso in funzione della frequenza) nella banda radio da 20 MHz a 30 GHz (fonte dei dati: “The Absolute Spectrum di Cas A: An Accurate Flux Density Scale and a Set of Secondary Calibrators”, J. W. M. M. Baars, R. Genzel, I. I. K. Pauliny-Toth, A. Witzel – Astron. Astrophys. 61,99-106 (1977)).

  Spettro radio delle più intense “radiosorgenti campione”

Spettro radio delle più intense “radiosorgenti campione” utilizzate dai radioastronomi per calibrare i loro strumenti. Le piccole dimensioni angolari di questi oggetti (generalmente non superiori a 4 minuti d'arco) e il flusso relativamente intenso li rendono molto utili come sorgenti di prova per verificare le prestazioni dei radiotelescopi e delle antenne.

 

Utilizzando questi dati abbiamo simulato il transito di CasA registrato con il radiotelescopio SPIDER230. Le stime sono teoriche e considerano un comportamento ideale del sistema ricevente. La temperatura di brillanza della radiosorgente, dell'ordine di 210 K, produce un incremento nella temperatura di antenna pari a circa 0.68 K, molto “diluito” a causa della differenza fra le sue dimensioni apparenti e l'ampiezza del lobo di ricezione del radiotelescopio.
I calcoli mostrano che la variazione di potenza “vista” all'ingresso del ricevitore RAL10PL è dell'ordine di 0.1 dBm con un valore di -52.7 dBm corrispondente al punto di massima intensità durante il transito. La registrazione simulata riporta anche la deriva della linea di base radiometrica per agevolare il confronto con i dati sperimentali mostrati successivamente.

 

Registrazione simulata del transito della radiosorgente Cassiopea A

Registrazione simulata del transito della radiosorgente Cassiopea A (3C461) davanti all’antenna del radiotelescopio SPIDER230.

 

La verifica delle valutazioni teoriche è stata effettuata dal Dr. Filippo Bradaschia, CEO di PrimaLuceLab, azienda partner di RadioAstroLab nella realizzazione del radiotelescopio SPIDER230 che ringraziamo per la collaborazione. La stazione ricevente, installata presso il Polo Tecnologico di Pordenone comprende il ricevitore 11,2 GHz Total-Power RAL10PL realizzato da RadioAstroLab per SPIDER230 e il sistema di antenna (riflettore parabolico circolare di 2.3 metri di diametro) con montatura equatoriale, motorizzazione e cupola di protezione realizzati da PrimaLuceLab. Lo strumento è completamente controllabile, attraverso una linea Ethernet, dal software RadioUniverse.
Approfittando di una giornata di “cielo asciutto” sono state organizzate le osservazioni per registrare il transito di Cassiopea A. Grazie all'utilizzo di una montatura equatoriale, l'orientamento dell'antenna del radiotelescopio SPIDER230 è molto preciso ma, essendo piccola la dimensione apparente della radiosorgente, trovare l'oggetto può essere difficoltoso. Per facilitare questo compito si è sfruttata un'interessante caratteristica di SPIDER230: la possibilità di riprendere radio-immagini di una specifica zona di cielo utilizzando il database del software RadioUniverse.
Orientando l'antenna del radiotelescopio verso la regione di cielo dove è presente Cassiopea A si sono registrate due immagini consecutive a bassa risoluzione, con dimensioni pari a 10 x 10 pixel radio e risoluzione 0.5°, in modo da inquadrare un'area di cielo ampia 5 x 5° entro la quale si poteva essere ragionevolmente certi di trovare la radiosorgente. Il fattore di amplificazione del ricevitore RAL10PL è stato impostato sul valore massimo.

 

Il radiotelescopio SPIDER230 

Il radiotelescopio SPIDER230 utilizzato per la registrazione del transito di Cassiopea A.

 

Le due immagini ottenute evidenziano il gradiente di segnale causato dal contrasto esistente tra il fondo del cielo (pixel di colore blu) e il flusso emesso dal suolo e dall'atmosfera vicini all'orizzonte (pixel di colore rosso). L'angolo in basso a destra rappresenta il punto più vicino all'orizzonte. La presenza di CasA sembra essere confermata dal debole incremento di luminosità del pixel indicato nella figura seguente rispetto al contorno.

 

 Immagini radio consecutive registrate da SPIDER230 dell'area di cielo di Cassiopea A

 

Immagini radio consecutive registrate da SPIDER230 dell'area di cielo di Cassiopea A.

 

Queste misure sono servite a centrare la regione nella mappa radio dove si ipotizzava la presenza della radiosorgente, così da richiedere al software RadioUniverse la registrazione automatica di 5 transiti consecutivi di CasA, ampi 8 gradi. In tutte le registrazioni si è osservato un picco di segnale, con sufficiente contrasto, esattamente nel punto occupato dalla radiosorgente. Si sono quindi esportati i dati per le successive elaborazioni con un foglio di calcolo.

 

Verifica dei transiti di Cassiopea A con il software RadioUniverse

Verifica dei transiti di Cassiopea A con il software RadioUniverse.

 

Transiti della radiosorgente Cassiopea A

Transiti della radiosorgente Cassiopea A.

 

Modello semplificato del diagramma di ricezione dell'antenna di SPIDER230 (riflettore parabolico con simmetria circolare e diametro di 2.3 metri): è stata approssimata come un’apertura circolare uniformemente illuminata e si è riportata solo la variazione azimutale.

 

Come precedentemente sottolineato, Cassiopea A (oggetto “quasi puntiforme”) è spesso utilizzata come radiosorgente campione per verificare le caratteristiche del diagramma di ricezione del radiotelescopio, caratterizzato da un lobo di ricezione molto più ampio. In particolare interessa ricavare il parametro HPBW (Half Power Beam Width) che rappresenta l'ampiezza a metà potenza del lobo principale dell'antenna (espresso in gradi). Si utilizza la seguente formula:

 

 

dove t è il tempo di transito della radiosorgente espresso in minuti e δ è la sua declinazione in gradi. Analizzando le registrazioni illustrate nelle figure precedenti (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°, il calcolo fornisce:

 

 

in accordo con il valore HPBW=0.8° ottenuto dal modello dell'antenna di SPIDER230 utilizzato nelle simulazioni.