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A cura di Flavio Falcinelli

La riga a 21 centimetri (1420.40575 MHz), dovuta all’emissione quasi monocromatica dell’idrogeno “freddo” che popola gli spazi interstellari (è l'elemento più diffuso nell'universo), è stata prevista teoricamente da Van De Hulst nel 1944 e scoperta da H. I. Ewen e E. M. Purcell nel 1951 mentre osservavano una regione della Via Lattea.

L'evento stimolò la ricerca di altre sostanze nel mezzo interstellare: ad oggi, sono state catalogate molte molecole complesse, anche organiche.

Lo studio della riga a 21 centimetri rappresenta, a buon titolo, il primo grande e autonomo successo della radioastronomia: grazie ai radiotelescopi è stato possibile “vedere” la struttura a spirale della Galassia, impossibile per gli strumenti ottici a causa dell’assorbimento delle nubi interstellari.

Utilizzando radio-spettrometri è possibile determinare con notevole precisione il profilo della riga in funzione della frequenza e, applicando tecniche doppler all'analisi dei dati, si ottengono importanti informazioni sulla dinamica degli spostamenti delle grandi masse gassose emittenti.

Lo studio “via radio” della struttura della Galassia è accessibile a livello amatoriale: è molto interessante e istruttivo definire la forma della nostra galassia indagando la distribuzione del gas e le caratteristiche del profilo della riga a 21 centimetri. La relativa trasparenza del disco galattico a questa frequenza consente “l'esplorazione” nel suo insieme, mentre con mezzi ottici le osservazioni sono limitate a una piccola regione prossima al Sistema Solare a causa del forte assorbimento dovuto al gas interstellare.

 il nostro primo radiotelescopio costruito

 

Le immagini mostrano il nostro primo radiotelescopio costruito per verificare questa possibilità di ricerca a livello amatoriale. Navigando in rete si trovano molti esempi ben documentati di progetti radioastronomici per lo studio della riga a 21 centimetri.

Il sistema è composto da un'antenna horn costruita con fogli di alluminio (ci siamo ispirati al progetto descritto in http://www.setileague.org/articles/horn.htm) e sostenuta con un supporto di legno, orientabile in elevazione, assemblato secondo una classica “filosofia” amatoriale che privilegia l'utilizzo di materiali economici e facilmente disponibili (finché è possibile...).

Il segnale raccolto dall'antenna è amplificato e filtrato (LNA) per limitare le interferenze locali, successivamente applicato al ricevitore (un prototipo) che analizza una porzione della banda passante del sistema, centrata sul valore nominale a riposo della riga dell'idrogeno (1420.40575 MHz)..

Le osservazioni evidenzieranno spostamenti doppler della frequenza a riposo della riga, indicativi del moto relativo delle masse gassose rispetto all'osservatore. Per una corretta valutazione della velocità di spostamento, è indispensabile che il ricevitore sia molto stabile in frequenza: un radio-spettrometro infatti, che analizza lo spettro dei segnali presenti all'interno della sua banda passante, deve minimizzare gli errori di misura causati dalle derive proprie del ricevitore e dell'oscillatore locale (se il ricevitore è a conversione di frequenza).

 

 prototipo dell'antenna da noi costruita per studiare il cielo alla frequenza 1420 MHz dell'idrogeno neutro

 

Questo è il prototipo dell'antenna da noi costruita per studiare il cielo alla frequenza 1420 MHz dell'idrogeno neutro. Si tratta di una tipica realizzazione amatoriale: l'antenna è realizzata con fogli di alluminio e installata su un supporto di legno orientabile manualmente in elevazione (orientamento azimutale fisso verso sud). Il supporto è stato realizzato con una semplice struttura, riciclando materiale dai pallet normalmente utilizzati nel trasporto delle merci.

 

 QAmplificatore (LNA) inserito fra l'antenna e il ricevitore

 

Amplificatore (LNA) inserito fra l'antenna e il ricevitore. Il dispositivo è stato costruito collegando in cascata un filtro passa-banda centrato su 1420 MHz, due amplificatori commerciali a larga banda (basso rumore ed elevata dinamica), ulteriore filtro passa-banda, identico al precedente, collegato all'uscita. L'immagine mostra la risposta in frequenza dell'amplificatore.

 

Nel nostro prototipo, chiamato RALSpectrum, abbiamo curato con attenzione tale requisito utilizzando un oscillatore locale di precisione e termostabilizzato (la struttura del ricevitore è a singola conversione di frequenza, con mixer in quadratura), agganciato al segnale di riferimento temporale della rete di satelliti GPS tramite un ricevitore ausiliario.

Il primo test consiste nell'orientare l'antenna sullo zenith e.... aspettare: se l'impianto funziona, dovrebbe essere ben visibile il profilo della riga dell'idrogeno. Il livello del segnale sarà minimo, dato che l'antenna “osserva” una regione del cielo lontana dalla Via Lattea dove è addensato il gas.

Le seguenti immagini mostrano alcune registrazioni di prova: ulteriori dettagli sulla struttura del radiotelescopio e sulle registrazioni si trovano nelle seguenti animazioni.

 

 

Lo scopo del nostro esperimento è stato quello di verificare la funzionalità di un radiotelescopio amatoriale adatto allo studio del profilo della riga a 21 centimetri dell'idrogeno neutro: nelle nostre prove abbiamo utilizzato, e costruito per l'occasione, un'antenna horn in grado di fornire un guadagno sufficiente per lo scopo.

Ovviamente, questa non è l'unica o la migliore soluzione possibile: antenne di maggiori dimensioni come, ad esempio, riflettori parabolici con diametro attorno ai tre metri, consentono un'agevole ricezione dell'emissione “monocromatica” dell'idrogeno.

Particolare attenzione è stata posta nello sviluppo di un radio-spettrometro caratterizzato da elevata sensibilità e stabilità, come richiesto da queste applicazioni. Come vedremo, un ricevitore di questo tipo è utilizzabile per altri scopi come, ad esempio, nello sviluppo di un programma di ascolto SETI amatoriale.

 

 Test di ricezione 1

 

 

 Test di ricezione 2

 

 

 Test di ricezione 3