La radioastronomia
è nata per caso... |
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La radioastronomia è nata con Karl Jansky
che scoprì casualmente le radioemissioni cosmiche (dicembre
1931) durante uno studio sull'origine dei disturbi atmosferici che
interferivano con le prime radiocomunicazioni commerciali a lunga
distanza.
La seguente immagine mostra una riproduzione delle registrazioni
originali di Jansky che evidenziano i periodici picchi di emissione
provenienti dal centro della galassia: questa è stata la prima
evidenza sperimentale dei radiosegnali cosmici di origine naturale e la
nascita della nuova scienza della radioastronomia.
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La famosa "giostra" di Jansky, prototipo del primo radiotelescopio.
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Replichiamo l'esperienza
di Jansky |
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Nel grafico
seguente è riportata la registrazione della radiazione a 20.4
MHz proveniente dal centro della Via Lattea ottenuta con il ricevitore
a conversione diretta mostrato nella foto, equipaggiato con una
semplice antenna dipolo a mezz'onda con i lobi orientati in direzione
NE-SO (particolari tecnici dettagliati si trovano nel volume Radioastronomia Amatoriale.)
La larghezza di banda del ricevitore è pari a circa 834 kHz,
assai più ampia di quella che caratterizzava lo strumento di
Jansky, centrata sulla frequenza di 20.4 MHz.
I dati all'uscita del ricevitore sono stati
elaborati con un PC utilizzando una scheda di acquisizione ad 8 bit ed
integrando il segnale rivelato con una costante di tempo dell'ordine di
16 secondi. La registrazione è iniziata dopo un'ora circa
dall'accensione dell'apparecchio, raggiunta la stabilizzazione termica
del sistema. Solo a questo punto si sono completate le regolazioni di
messa a punto. I controlli di guadagno RF e BF del ricevitore sono
stati impostati per il corretto livello di sensibilità, tale da
scongiurare fenomeni indesiderati di saturazione.
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Prototipo di ricevitore HF 20.4 MHz (larghezza di banda 834 kHz) ad amplificazione diretta.
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Il semplice
sistema appena descritto appare sufficientemente sensibile e stabile
per captare la radiazione galattica e quella delle principali radiosorgenti non termiche, particolarmente intense a queste frequenze (Cassiopeia, Cygnus...).
La qualità delle osservazioni dipende sensibilmente dal sistema
di antenna utilizzato e dal luogo di installazione della stazione
ricevente, che deve essere particolarmente libero da interferenze e da
disturbi artificiali.
Nelle successive prove di ricezione delle
radioonde galattiche, vista la grande estensione angolare della
sorgente, si è utilizzata con successo un'antenna Yagi filare
autocostruita a 3 elementi sistemata ad un'altezza di circa 3 metri dal
terreno e, in seguito, un'antenna Yagi commerciale per radioamatori a 4
elementi modificata per la frequenza operativa di 20.4 MHz.
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| La radioemissione di Giove |
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Da successive
osservazioni effettuate a differenti frequenze, i radioastronomia hanno
caratterizzato la radioemissione complessiva di Giove fondamentalmente come combinazione
di due componenti: quella termica, dominante alle brevi lunghezze
d'onda, quella non termica prevalente alle maggiori. In quest'ultimo
caso sembra che il satellite Io abbia un ruolo molto importante nel
"modulare" la radiazione decametrica del pianeta, come è
mostrato dalle figure che rappresentano schematicamente il sistema
"radiotrasmittente" gioviano.
E' possibile registrare con relativa
facilità i radio-burst di Giove utilizzando un ricevitore HF
sintonizzato intorno alla frequenza di 20 MHz, collegato ad una
semplice antenna a dipolo ripiegato (a mezz'onda) allineata in
direzione est-ovest e posta ad un'altezza dal terreno pari ad un quarto
d'onda (si veda lo schema riportato sotto).
Il ricevitore
deve essere del tipo a rivelazione di ampiezza (AM) senza circuito di
controllo automatico del guadagno (AGC) che costituirebbe una sorgente
di errore nella valutazione dell'intensità dei segnali.
Poichè la banda passante dei segnali ricevuti è
relativamente ampia (dell'ordine di un centinaio di kHz), non è
di primaria importanza (almeno in una stazione amatoriale) il requisito
sulla stabilità in frequenza a breve termine, mentre è
molto utile la possibilità di modificare facilmente la sintonia
del ricevitore per evitare interferenze da parte di stazioni radio
commerciali e radioamatoriali.
Per
verificare se il sistema ricevente è sufficientemente sensibile
per lo studio dei radio-burst di Giove (a maggior ragione per lo studio
di quelli solari, più intensi) si consiglia il seguente test:
con l'antenna collegata si sintonizza il ricevitore su una frequenza
libera da stazioni regolando il volume audio fino ad ascoltare un forte
soffio di rumore.
Si rimuove il cavo di antenna inserendo al suo posto un carico
resistivo (con impedenza pari a quella nominale di antenna): se
l'apparecchio è sufficientemente sensibile si dovrebbe notare un
sensibile calo del rumore di fondo,
mentre in caso contrario sarà opportuno inserire un
preamplificatore-preselettore RF fra antenna e ricevitore (con banda
stretta per evitare fenomeni di intermodulazione e per minimizzare le
interferenze prodotte dalle stazioni radio adiacenti).
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Questa regione dello spettro
radio comprende frequenze nelle gamme MF da 300 kHz a 3 MHz (Medium
Frequency) e HF da 3 MHz a 30 MHz (High Frequency), tipicamente utilizzate
dai servizi di radiodiffusione commerciali e dai radioamatori.
| Esperimenti radioastronomici nelle bande MF ed HF |
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Come è noto, a causa
della trasparenza atmosferica, sono possibili osservazioni
radioastronomiche da terra a frequenze minime dell'ordine di 10 MHz
(valore ampiamente variabile secondo l'attività solare, la regione geografica, la stagione, il giorno e la notte).
In queste bande sono particolarmente intensi i disturbi di natura
artificiale tipici delle zone urbane ed industriali e le
radiointerferenze con altre stazioni (commerciali e private) assai
numerose ed intense, che rendono problematiche (spesso impossibili) le
registrazioni della radiazione celeste.
Ulteriore difficoltà nella ricezione alle frequenze più
basse (tale da rendere la banda MF difficilmente utilizzabile per
esperimenti radioastronomici dilettantistici) è causata
dall'interferenza ionosferica che funge da schermo per la radiazione
cosmica, anche se, in periodi di minimo dell'attività solare ed
in zone della terra poste ad elevate latitudini magnetiche, la
frequenza critica ionosferica può raggiungere valori così
bassi (durante la notte) da consentire la sporadica rivelazione della
radiazione esterna.
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Tipica
realizzazione amatoriale di ricevitore radioastronomico utilizzato per
la registrazione dei radiosegnali prodotti da Giove e dal Sole in
banda decametrica (fare click sull'immagine per ingrandirla):
il dispositivo mostrato nella figura precedente è un ricevitore ad amplificazione diretta
funzionante alla frequenza di 20.4 MHz con il quale è possibile
ricevere la radiazione proveniente dal centro della galassia
(Sagittario), i radio-burst di Giove e del Sole.
Il ricevitore è collegato ad un'antenna yagi a 3 elementi
(dotata di rotore per l'elevazione e per il movimento di azimut)
proveniente dal mercato radioamatoriale e riadattata per lo scopo.
L'acquisizione automatica dei dati è affidata ad una scheda (con
ADC a 8 bit) collegata alla porta seriale RS232C di un vecchio computer
portatile sul quale è stato installato un semplice programma di
gestione scritto in QBasic per DOS.
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(fare click sull'immagine per ingrandirla)
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Registrazione dell'emissione radio galattica alla frequenza di 20.4 MHz (fare click sull'immagine per ingrandirla).
Ogni
graduazione sull'asse delle ascisse corrisponde ad un intervallo
temporale pari a circa un'ora, mentre i numeri sull'asse delle ordinate
rappresentano livelli di intensità relativa (non si è
effettuata alcuna procedura di calibrazione per la temperatura
equivalente di rumore della radiazione incidente). A parte i disturbi
impulsivi dovuti ad interferenze locali, si distinguono facilmente i
larghi massimi periodici prodotti dalla radiazione complessiva
proveniente da Cygnus, Sagittarius (centro galattico) e Cassiopeia.
L'emissione ha un massimo intorno alle ore 03 - 06 locali ed è
piuttosto diffusa a causa della scarsa direttività dell'antenna
utilizzata (un semplice dipolo filare) che riceve radiazione
dall'orizzonte fino allo zenit senza possibilità di discriminare
le varie radiosorgenti.
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| La ricezione radioastronomica alle frequenze decametriche |
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Nell'intervallo delle
frequenze intorno a 20 MHz, utilizzando attrezzature relativamente
semplici come quelle descritte in seguito, si possono condurre
interessanti osservazioni sulla radiazione decametrica di Giove che
emette potenti, anche se sporadiche, "radiotempeste" di rumore generate
dall'interazione delle particelle cariche energetiche con la
magnetosfera del pianeta. E' anche possibile tentare la registrazione
dei "radioscoppi" solari (vedi introduzione alla pagina Attività solare e geomagnetismo).
Come
si è visto, pur utilizzando antenne non troppo direttive (al
limite, ma proprio al limite, un semplice dipolo) non è
difficile osservare la radiazione del centro galattico, ripetendo le
esperienze di Jansky, Reber e dei primi radioastronomi.
Tali esperienze sono particolarmente indicate per gli sperimentatori
dilettanti, dato che non richiedono l'utilizzo di mezzi e strumenti
particolarmente costosi o complessi da costruire e mettere a punto, od
impianti di antenna ingombranti e difficili da installare.
Qualsiasi radioamatore può utilizzare la propria stazione
ricevente in banda HF (ammesso che riesca a trovare una "fettina" di
spettro
libera da interferenze), dotata di antenna yagi orientabile (almeno in
azimut) per tentare la ricezione degli intensi burst solari o gioviani.
E' comunque necessaria una buona dose di pazienza, dato che le
emissioni hanno carattere sporadico e la localizzazione di un sito di
ricezione adatto, collocato in luoghi possibilmente lontani dalle
interferenze e dai disturbi artificiali urbani, non sembra, ai nostri
giorni, operazione banale.
Il ricevitore deve essere predisposto con un sistema di rivelazione AM
ed è indispensabile disattivare il circuito AGC (controllo
automatico del guadagno).
I risultati raggiungibili, a patto che si pianifichino osservazioni
continue per un periodo di tempo sufficientemente lungo (programmando
"ascolti" e registrazioni regolari dei segnali presenti in banda), sono
molto incoraggianti, come dimostrano numerose esperienze di
appassionati che hanno saputo ricavare notevoli ed interessanti
quantità di dati sui fenomeni in studio.
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Suggestiva
immagine radio del centro della nostra galassia, alla lunghezza d'onda
di 90 cm, ripresa con il radiointerferometro VLA di Socorro (NRAO -
Nuovo Messico - USA). Fare click sull'immagine per ingrandirla.
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Esempio
schematico che illustra la struttura di un sistema ricevente adatto
alla registrazione dei radiodisturbi sporadici di Giove e del Sole
nella banda di frequenze HF (decametriche). Fare click sull'immagine per ingrandirla.
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Registrazione
di prova (al transito) dell'emissione radio associata al centro della
nostra galassia effettuata alla frequenza di 26 MHz da Salvatore
Pluchino (dalla Sicilia) con il ricevitore a sintonia continua
HF_RadioAstroLab (descritto nel primo dei seguenti articoli e mostrato
nella foto seguente), equipaggiato con un’antenna Yagi puntata al
transito ad un’inclinazione di 45° sull’orizzonte (fare click sull'immagine per ingrandirla).
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Il programma di
acquisizione automatica utilizzato è RADIOmetrica (descritto
nella pagina dei tools software) e la scheda di acquisizione è
un’interfaccia equipaggiata con ADC a 12 bit che sarà
presentata a breve sulle pagine dei prodotti offerti da RadioAstroLab.
Anche in questa
registrazione, come è tipico quando si effettuano osservazioni
nella banda di frequenze intorno a 26 MHz, sono visibili i picchi
relativi alle interferenze (RFI) con altre stazioni radio commerciali e
radioamatoriali. Tali disturbi non hanno impedito, comunque, di
evidenziare il profilo del transito della radiosorgente (si tratta
dell’emissione complessiva associata al centro della nostra
galassia).
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| Progetti & Approfondimenti |
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 HF_RadioAstroLab: ricevitore a sintonia continua da 145 KHz a 30 MHz [doc .PDF].
Si tratta di un
ricevitore sintonia continua in grado di operare in un ampio intervallo
di frequenze: da circa 145 kHz fino a 30 MHz. L'apparato e' stato
progettato per applicazioni radioastronomiche sulle frequenze inferiori
dello spettro radio, in particolare per lo studio della radiazione
decametrica di Giove e del Sole, per la registrazione della radiazione
proveniente dal centro della nostra galassia e per il monitoraggio
permanente dei disturbi ionosferici.
Semplici note costruttive per antenne Yagi-Uda [doc .PDF].
Sono riassunte alcune semplici indicazioni
utili per progettare e costruire antenne Yagi-Uda per le bande HF, VHF
e UHF. Ho utilizzato tali informazioni per la costruzione di un sistema
di antenna a basso costo da accoppiare al ricevitore HF_RadioAstroLab
per lo studio dei burst radio solari e di Giove alle frequenze
decametriche.
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La "giostra" e le osservazioni
di Jansky... |
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Jansky progettò
e costruì un sistema di antenna ad array di loop quadrate (la
famosa "giostra" visibile nella foto a sinistra) dotato di ragionevoli
caratteristiche direzionali e fisicamente orientabile in azimut in modo
da determinare la direzione di arrivo delle interferenze.
Il ricevitore, operante alla frequenza di 20.5 MHz con larghezza di
banda pari a 1 kHz, garantiva, oltre che buona sensibilità,
anche sufficiente stabilità, minimizzando le fluttuazioni e le
derive a lungo termine del guadagno o del livello di zero di
riferimento dello stadio finale di misura (Jansky utilizzò un
tempo di integrazione pari a 13 secondi per il segnale rivelato).
Grazie a tali caratteristiche (tipiche dei radiometri) lo strumento fu
in grado di evidenziare la radiazione cosmica proveniente dal centro
della galassia (regione celeste del Sagittario) rispetto al rumore di
fondo.
Nonostante la relativa semplicità degli apparati (era
l’epoca dei tubi elettronici), Jansky riuscì a rivelare le
emissioni del centro galattico grazie all'ottimizzazione dei parametri
di sistema (sensibilità, stabilità ed adozione di una
lunga costante di tempo di integrazione del segnale d'uscita), e grazie
all'elevata intensità e alle notevoli dimensioni angolari della
radiazione galattica in quella banda di frequenze (la temperatura di
brillanza associata al centro galattico, alla frequenza di 20 MHz,
è pari a circa 200000 K).
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Il sistema radio Giove - Io
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In seguito saranno
brevemente descritti i meccanismi all'origine delle potenti
radioemissioni decametriche del sistema Giove-Io. Si forniranno
dettagli sulla struttura basilare di una semplice, ma efficiente,
stazione ricevente HF adatta a monitorare e registrare tali eventi.
Tale attività rappresenta un ottimo punto di partenza per
acquisire esperienza e dimestichezza con le osservazioni
radioastronomiche e le problematiche legate alla registrazione e
all'interpretazione dei dati.
Uno dei pianeti più interessanti per studi radioastronomici amatoriali è Giove.
La
maggior parte della radiazione emessa dal sistema planetario gioviano
è molto più intensa, alle frequenze decametriche,
rispetto a quella che potrebbe essere spiegata da semplici meccanismi
termici ed è caratterizzata da polarizzazione ellittica e
circolare. In questo caso intervengono meccanismi di radiazione
differenti da quello termico, simili a quelli che hanno luogo nelle
galassie: si tratta di emissione di sincrotrone prodotta da particelle
cariche (elettroni e ioni) accelerate dalle linee di forza a spirale
del campo magnetico del pianeta.
La componente termica della radiazione di Giove è, d’altra
parte, misurabile senza troppe difficoltà utilizzando buoni
strumenti dilettantistici (caratterizzati da sufficiente area efficace)
funzionanti nella regione delle microonde.
Nel 1955, durante una survey del cielo alla frequenza di 22 MHz, B.
Burke e K. Franklin registrarono un intenso e fluttuante rumore
proveniente dalla declinazione +22 gradi che durò diversi
giorni. La posizione della radiosorgente coincideva con quella di
Giove, ed ulteriori osservazioni confermarono che questo pianeta era in
grado di emettere un'intensa e sporadica radiazione elettromagnetica
nella gamma delle onde decametriche (HF), caratterizzata da
polarizzazione circolare o ellittica.
La temperatura equivalente di corpo nero dell'emissione risultava
dell'ordine di milioni di gradi kelvin, troppo elevata per essere di
origine termica (la radiazione termica è, inoltre, non
polarizzata). La componente termica della radiazione di Giove è
stata misurata nel 1956 alla frequenza di 10 GHz, mostrando una
temperatura equivalente di 140 K.
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