Sommario

Radioastronomia, radiotelescopi...

Radioastronomia amatoriale

Bande ULF-VLF e "Radio Natura"

Esperimenti in MF ed HF

Esperimenti in VHF e UHF

Ricevitori in banda SHF

Astronomia amatoriale infrarossa

La ricezione delle Pulsar

Radiointerferometria

Le ricerche SETI

Attività solare e geomagnetismo

Strumentazione ed acquisiz. dati

Software e Tools

Pubblicazioni e doc. tecnica

Il contributo degli ospiti

Altri siti interessanti

I prodotti RadioAstroLab

Di cosa di occupa la Radioastronomia?

La radioastronomia studia i corpi celesti analizzando la radiazione elettromagnetica emessa nell'intervallo spettrale delle radioonde. Un radiotelescopio, complesso strumento di misura, comprende un sistema di antenna collegato ad apparati elettronici riceventi e di registrazione dei dati. 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. Con il generico termine "radiosorgente" si identifica qualsiasi corpo celeste in grado di emettere radioonde. Le caratteristiche fisiche dell'oggetto ed i meccanismi di radiazione possono essere molto diversi, tutti riconducibili a due tipologie fondamentali: radiazione termica e non termica.

La distribuzione spaziale della radiazione cosmica si rappresenta con "radiomappe" del cielo che riportano l'andamento della brillanza secondo linee isofote (o isoterme nel caso sia evidenziata la distribuzione della temperatura di brillanza), corrispondenti a gradini lungo i quali la "radioluminosità" del cielo si mantiene costante.

Le radiosorgenti localizzate a spettro continuo si cloassificano secondo l'andamento della loro caratteristica spettrale. Si distinguono sorgenti termiche che emettono come corpi neri a termperatura costante ed uniforme, caratterizzate da un andamento crescente della densità di flusso con la frequenza e sorgenti non termiche irradianti (generalmente) per emissione di sincroctrone. In questo caso la radiazione è dovuta ai moti orbitali di elettroni ad alta energia, intrappolati nel campo magnetico prodotto dalla radioasorgente: la velocità delle particelle è relativistica, quindi la radiazione emessa è concentrata in direzione del loro moto istantaneo. Questo meccanismo caratterizza la maggiornaza delle radiosorgenti osservabili. E' possibile, in pratica, distinguere i vari meccanismi di emissione proprio grazie al fatto che l'intensità della radiazione varia in modo diverso con la frequenza: crescente per la radiazione termica, decrescente per le radiosorgenti di tipo non termico.

Rispetto a quanto si verifica nei tradizionali sistemi di comunicazione, nell'onda elettromagnetica ricevuta da una radiosorgente non si ossera alcun tipo di modulazione: il segnale manifesta le caratteristiche di un "rumore", dato che la sua intensità varia nel tempo in modo casuale. Generalmente interessa misurare l'energia ricevuta e registrare l'intensità della radiazione incidente.

Se si studiano sorgenti variabili nel tempo (come, ad esempio, le pulsar) sarà necessario mantenere puntato il fascio dell'antenna sulla sorgente e registrare le variazioni di intensità nel tempo, mentre se si desidera ottenere l'equivalente radio di una fotografia sarà necessario "spazzare" la regione di cielo che interessa e registrare l'intensità del segnale in funzione della posizione di puntamento dell'antenna. Altra importante differenza fra le trasmissioni radio-televisive e l'emissione radio cosmica è che le prime trasmettono su frequenze ben precise, con bande di frequenza molto strette (in modo da ottimizzare la ripartizione delle frequenze con numerose trasmissioni da altrettante stazioni distinte), mentre le seconde irradiano, in generale, un segnale a spettro continuo contemporaneamente su tutte le frequenze. Fanno eccezione a questa regola le nubi di materia diffusa caratterizzate da emisisoni a banda molto stretta dovute a transizioni atomiche e molecolari (come. ad esempio, i MASER interstellari).

Principali radiosorgenti osservabili con strumenti amatoriali

Un approfondimento sui principi della ricerca radioastronomica, sulle unità di misura del flusso radio emesso dalle radiosorgenti ed altro, si trova nell'articolo Radioastronomia dilettantistica: principi di base.

E' possibile la ricerca radioastronomica amatoriale? L'attività radioastronomica dilettantistica appare come un terreno impervio con qualche ostacolo, ma ricco di soddisfazioni. Occorre costruire in proprio gli strumenti per le osservazioni, sperimentando le antenne ed i sistemi di puntamento, i ricevitori, il sistema di registrazione e di elaborazione dei dati, il software di gestione. Il raggiungimento di obiettivi interessanti, a volte ambizioni e costosi, presuppone la collaborazione fra gruppi di appassionati che, oltre ad acquisire i fondamenti teorici di base, esercitano la loro esperienza nella realizzazione delle apparecchiature e nell'interpretazione dei dati. Sono convinto che l'attività radioastronomica amatoriale possa collocarsi, rispetto alla ricerca ufficiale, come il serio lavoro degli astronomi ottici dilettanti (studio e scoperta degli asteroidi, delle stelle variabili) si pone rispetto alla ricerca astronomica ufficile. Mi auguro che il lettore possa trovare, in queste pagine, indicazioni ed utili riferimenti per iniziare a sviluppare interessanti ed originali esperienze di ricerca radioastronomica.

Il radiotelescopio

E' lo strumento utilizzato per le radio-osservazioni.

Nella struttura più semplice si tratta di un radiometro equipaggiato con un adatto sistema di antenna, cioè un radioricevitore a larga banda molto sensibile progettato per misurare l'intensità del rumore cosmico. Le tecniche radiometriche (Total-Power) rivelano, infatti, la radioemissione naturale prodotta dalla materia in virtù del suo stato termodinamico: essa manifesta le caratteristiche di un segnale incoerente a spettro largo simile al rumore interno generato dall'apparato. Il processo di misura stima i valori medi associati ai parametri di interesse, come la potenza ricevuta.

Il ricevitore supereterodina...

In un ricevitore supereterodina (è la configurazione quasi universalmente utilizzata, mostrata nello schema a blocchi di seguito) il segnale proveniente dalla radiosorgente è captato dall'antenna ed inviato all'ingresso del primo stadio pre-amplificatore RF (front-end LNA: Low Noise Amplifier) caratterizzato da un guadagno tipico dell'ordine di 20-50 dB, con cifra di rumore molto bassa che definisce (insieme ad altri parametri come la banda passante ed il tempo d'integrazione) la sensibilità del radiotelescopio. Il segnale amplificato è traslato in banda (verso il basso) da un convertitore di frequenza (mixer + oscillatore locale) che genera un segnale a frequenza intermedia (IF) con potenza direttamente proporzionale a quella della radiazione incidente. La maggior parte del guadagno di un ricevitore supereterodina, dell'ordine di 60-90 dB, è localizzato nella catena amplificatrice IF che, di conseguenza, deve possedere adeguate caratteristiche di stabilità. Per scongiurare qualsiasi fluttuazione del guadagno ed eliminare errori nella valutazione della potenza associata alla radiazione incidente, si evitano sistemi di controllo automatico del guadagno (AGC), mentre un'ampia gamma dinamica è ottenuta utilizzando adatti dispositivi attivi correttamente polarizzati ed inserendo attenuatori resistivi calibrati all'interno della catena amplificatrice IF. L'amplificatore IF è seguito dallo stadio rivelatore a caratteristica quadratica all'uscita del quale si misura un segnale di ampiezza proporzionale alla potenza associata alla radiazione captata dall'antenna: tale "informazione" è ulteriormente amplificata ed integrata (dallo stadio amplificatore DC - integratore, detto anche amplificatore di post-rivelazione) per consentire la successiva elaborazione da parte dei dispositivi di visualizzazione e di registrazione (registratori a carta, sistemi di acquisizione automatica dei dati per PC, etc.). L'amplificatore-integratore di post-rivelazione (con risposta in frequenza passa-basso), con lo scopo di minimizzare le fluttuazioni del segnale utile ed ottimizzare la sensibilità del sistema, effettua una media del segnale rivelato secondo una prefissata (e programmabile) costante di tempo, con valori che vanno fa frazioni di secondo a centinaia di secondi.

Caratteristiche filtranti dell'atmosfera terrestre ed interferenze artificiali

Non tutta l'energia emessa dalle radiosorgenti cosmiche riesce a raggiungere la Terra: alle frequenze più basse (circa 15 MHz) la ionosfera terrestre si comporta come uno schermo impenetrabile per effetto dell'assorbimento del gas ionizzato, mentre alle frequenze più elevate (superiori a qualche decina di GHz) il vapore d'acqua contenuto nella troposfera assorbe completamente la radiazione proveniente dall'esterno. Si tratta della cosiddetta "finestra radio" (vedi le figure seguenti ed i grafici nella pagina SETI) che seleziona l'intervallo di frequenze entro il quale sono possibili ricezioni radio da terra. Una limitazione ben più pesante alle ricezioni radioastronomiche proviene dalla radiazione artificiale generata dalle attività umane: le varie stazioni trasmittenti radiotelevisive sparse in tutto il globo irradiano potenze talmente elevate da interferire distruttivamente con ogni tentativo di misurazione della debole radiazione cosmica. Qualcosa di simile accadrebbe nel caso si tentasse di osservare il cielo notturno circondati da potenti riflettori luminosi. Per risolvere questo problema, nel tentativo di trovare una soluzione che concili le esigenze della scienza con quelle delle comunicazioni, sono state assegnate opportune frequenze riservate alla ricerca radioastronomica. La crescente pressione per la richiesta di nuovi canali radio rende, comunque, le osservazioni radioastronomiche sempre più difficili: l'interfereza umana è in grado di compromettere seriamente il futuro di questa scienza.

I nemici della ricerca radioastronomica

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Nell'immagine precedente sono illustrati gli effetti dei disturbi e delle interferenze radio sull'attività di ricerca radioastronomica.

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In queste immagini si vedono due mappe radio del cielo compilate sulla base di osservazioni a differenti frequenze (30 MHz sopra e 408 MHz sotto) e con differenti poteri risolutivi del sistema ricevente. Appaiono evidenti i dettagli nella mappa compilata alla frequenza di 408 MHz.

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