| Il problema non banale dell'interpretazione dei dati
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La buona riuscita della maggior parte degli esperimenti
radioastronomici, insieme con la capacità di produrre risultati
scientificamente interessanti e ben documentati, è condizionata
dalle concrete possibilità di collaborazione fra gruppi di
appassionati: è ben noto, per chi conosce ed apprezza il metodo
sperimentale scientifico, come siano indispensabili diverse ed
indipendenti conferme sulle osservazioni relative ad un fenomeno
ritenuto insolito od interessante. Tali conferme strumentali si basano
sull'analisi delle eventuali correlazioni fra i dati osservati prodotti
da sperimentatori indipendenti che "guardano" contemporaneamente
l'evento.
E' molto importante che i ricercatori partecipanti all'esperimento
utilizzino una strumentazione adeguata al fenomeno da osservare, con
caratteristiche tecniche simili e prestazioni che, pur nella loro
eventuale diversità, siano utili per confermare la registrazione
del fenomeno e la sua corretta interpretazione.
Solo in questo modo si può essere certi di aver "catturato" e registrato un evento particolare.
Quando confermata da più osservatori indipendenti, l'analisi del
fenomeno può finalmente essere pubblicata e resa nota agli
istituti di ricerca ufficiali: essi riscontreranno e riconosceranno la
correttezza, l'affidabilità e l'utilità del metodo di
lavoro adottato dai dilettanti.
La corretta interprestazione dei dati acquisiti rappresenta uno degli
aspetti più delicati e complessi della ricerca radioastronomica,
in particolare di quella amatoriale, data l'esiguità dei mezzi
tecnici a disposizione e la non sempre "collaudata" esperienza degli
sperimentatori. Sono ben note, ad esempio a chi si occupa della ricezione di fenomeni naturali nelle bande ELF-VLF, oppure della registrazione dei bursts radio
(nella banda decametrica) di Giove o del Sole, le difficoltà nel
distinguere i segnali prodotti dai fenomeni in studio (che ci si
attende o si spera di osservare) da quelli generati da disturbi e
rumori elettromagnetici locali che affliggono le osservazioni
caratterizzate da un livello molto spinto di sensibilità
strumentale.
In questi casi, emblematici sulle difficoltà che si incontrano
nella ricerca radioastronomica amatoriale, è utile disporre di
una "rete" di osservatori localizzati anche a notevole distanza fra
loro (ricezione in diversità di spazio) dotati di
apparecchiature riceventi simili che effettuano un monitoraggio
continuo dello stesso fenomeno, con i quali è possibile
confrontare i dati e verificare eventuali correlazioni fra questi: le
interferenze locali saranno presenti solo in una delle registrazioni,
mentre l'evento astronomico lascerà traccia (più o meno
evidente) in tutte. |
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Quali sono le reali possibilità di ricerca dilettantistica in radioastronomia?
Ha senso parlare di radioastronomia amatoriale?
Sono ipotizzabili esperienze interessanti anche per il dilettante in un settore complesso e specializzato come questo?
| Esperimenti di radioastronomia amatoriale |
La radioastronomia amatoriale presenta qualche ostacolo e
difficoltà di natura tecnica, dato che, generalmente, non sono
disponibili commercialmente gli strumenti: occorre costruire la
strumentazione in proprio.
E' una disciplina che richiede un minimo di conoscenze in settori
paralleli quali: fisica ed astrofisica (conoscenze teoriche di base),
astronomia (conoscenze teoriche di base), elettronica (costruzione
degli strumenti), meccanica (costruzione degli strumenti), informatica
(acquisizione ed elaborazione dei dati).
Per ottenere i migliori risultati è auspicabile impostare l'attività nello stile del lavoro di gruppo.
Visitando le imponenti e complesse strutture della ricerca
radioastronomica ufficiale appare evidente l'elevato livello di
competenza e di specializzazione dei ricercatori, insieme ai costi
"astronomici" delle strutture indispensabili per gareggiare con
successo nella competizione scientifica.
Ciò può facilmente scoraggiare i modesti progetti a
carattere amatoriale se non sono ben chiari i limiti raggiungibili e
gli obiettivi del lavoro.
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La
foto mostra un tipico esempio di realizzazione amatoriale: si tratta
delle prove di laboratorio eseguite su un prototipo di ricevitore
total-power a microonde (radiometro a larga banda).
Per verificare la sensibilità del sistema ricevente e la
correttezza dei valori di calibrazione della scala della risposta in
uscita, è stata progettata e costruita (grazie alla
disponibilità e all'abilità dell'ing. Domenico Caliendo)
una piccola antenna di prova horn tronco-piramidale di guadagno noto.
L'antenna è stata applicata alla flangia d'ingresso WR75 di un
tipico LNAC commerciale utilizzato per la ricezione TV-SAT nella banda
10.7-11.8 GHz.
Con questo front-end, montato su un cavalletto fotografico, si è
misurata la radiazione solare, la radiazione del terreno e quella del
"cielo freddo", utilizzando i valori ottenuti come verifica per la
calibrazione della scala radiometrica.
L'antenna è stata disegnata, tagliata ed assemblata (con
notevole abilità manuale) utilizzando comune lamiera di rame per
grondaie, successivamente saldata a stagno.
Le giunzioni sono state ritoccate con carta abrasiva per eliminare le
imperfezioni della saldatura e l'antenna è stata trattata con
vernice trasparente per esterni. |
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(fare click sull'immagine per ingrandirla)
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Come ci si accosta alla radioastronomia:
- Conoscenza teorica dei principi di base
- Approccio corretto all'attività dilettantistica
- Conoscere bene gli strumenti e gli impianti
- Individuare le possibilità concrete di ricerca.
Nella precedente tabella sono elencati (senza la pretesa di essere
esaustivi, ma solo indicativi) alcuni progetti realizzabili a livello
di radioastronomia amatoriale, evidenziando le caratteristiche di
complessità di ciascuno. I progetti sono elencati in ordine di
complessità (e costi) crescenti, anche se i commenti devono
essere intesi come puramente indicativi, in larga misura dipendenti
dall'abilita' e dalle capacità organizzative dei singoli
sperimentatori.
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Quali frequenze operative scegliere
per la radioastronomia amatoriale? |
Come si vede dagli argomenti elencati nel sommario, sono utilizzabili
differenti bande di frequenze per la ricerca radioastronomica: quale
scegliere? La questione può apparire inizialmente difficile per chi
desidera occuparsi seriamente di radioastronomia. Sono diversi i
fattori da considerare e si dovrà necessariamente ripiegare su
scelte di compromesso.
Un primo passo può essere quello di stabilire a quali frequenze
sono più intense le radiosorgenti che interessa studiare (variazione spettrale dei meccanismi di emissione),
quindi valutare l'intensità della radiazione in funzione della
frequenza), avere un'idea sulla risoluzione strumentale richiesta per
l'osservazione e stimare l'effettiva disponibilità dello spettro
radio nella prevista zona di installazione (problema delle interferenze
naturali ed artificiali). Conoscere come varia l'intesità della radioemissione proveniente
dalle radiosorgenti cosmiche in funzione della frequenza assume
particolare importanza: i due principali meccanismi di radiazione sono
quello termico e l'emissione di sincrotrone (salvo alcuni casi speciali
e particolari che non rientrano in queste categorie).
Il meccanismo di irradiazione termica è caratterizzato dal fatto
che l'energia emessa dalla sorgente aumenta all'aumentare della
frequenza: ciò significa che tale processo prevale alle alte
frequenze.
Il Sole, la sorgente più calda e vicina, emette una
quantità molto piccola di radiazione termica nella banda VHF
(trascurando le componenti impulsive molto intense in questa regione
dello spettro dovute a meccanismi di altra natura), emissione che
aumenta in intensità all'aumentare della frequenza: tale
comportamento conferma la natura termica della radiazione dominante
quando il Sole è "calmo".
Anche la radiazione termica della Luna è misurabile (grazie alla
sua vicinanza) solo in banda SHF: sono in genere relativamente poche le
radiosorgenti "termiche" accessibili agli strumenti amatoriali, tutte,
comunque, "visibili" solo con antenne caratterizzate da area efficace
abbastanza grande.
La maggioranza delle radiosorgenti cosmiche
emette secondo il meccanismo di radiazione per sincrotrone dovuto alle
forti accelerazioni subite dagli elettroni in moto relativistico
immersi in un intenso campo magnetico.
Tale radiazione predomina alle basse
frequenze, all'estremità inferiore dello spettro radio,
diminuendo rapidamente in intensità all'aumentare della
frequenza. Diverse radiosorgenti che emettono abbastanza intensamente nelle bande
VHF e UHF appaiono relativamente "silenziose" e difficilmente
rivelabili con strumenti amatoriali se osservate a frequenze di qualche
GHz.
Un aspetto delicato è la questione della risoluzione
strumentale, che riguarda la capacità del sistema nel
"distinguere" (o risolvere) due oggetti celesti spazialmente vicini. Per un'antenna di assegnate dimensioni (area efficace) tale
capacità aumenta con la frequenza: maggiore è l'area
efficace dell'antenna, più stretto è il suo fascio di
ricezione e maggiore è la sua capacità di risolvere
particolari angolari dettagliati della zona di cielo osservata. E' possibile incrementare il potere
risolutivo di un radioelescopio aumentando l'area efficace del sistema
d'antenna, aumentando la sua frequenza operativa ed utilizzando
tecniche interferometriche. Tutto ciò ha un costo e richiede un impegno proporzionale alle prestazioni richieste.
Problema, non ultimo per importanza, è quello di trovare una
"fettina" sufficientemente ampia di spettro radio disponibile per le
osservazioni nella località scelta per l'installazione del sito
radioastronomico.
Se il livello di interferenza e' elevato, può diventare
dominante il criterio di scelta della frequenza operativa che minimizza
l'interferenza stessa.
E' indispensabile analizzare lo spettro disponile utilizzando uno
scanner, un analizzatore di spettro o un ricevitore sintonizzabile in
un ampio intervallo di frequenze: una volta individuata una zona
"pulita" è opportuno effettuare un monitoraggio su tali
frequenze 24 ore su 24 per verificarne l'effettiva
utilizzabilità durante tutto l'arco della giornata.
Dall'esperienza si è visto che le zone urbane sono quasi sempre
inutilizzabili per osservazioni radioastronomiche, dato che è
quasi impossibile individuare una pur piccola porzione dello spettro
libera da interferenze, eccetto, forse, la regione delle microonde
(banda SHF). |
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| Progetti & Approfondimenti |
 La nascita e lo sviluppo della radioastronomia [doc .PDF].
Breve sintesi sulle tappe storiche della radioastronomia.
Radioastronomia dilettantistica: principi di base [doc .PDF].
Sono illustrati i principi e le metodologie di
lavoro proprie della radioastronomia, in particolare quella amatoriale,
evidenziando le osservazioni che si rendono possibili ad un gruppo di
appassionati.
Si descrivono le attrezzature necessarie per condurre con successo una
nutrita serie di esperimenti relativamente economici se confrontati con
il costo medio delle attrezzature necessarie per attivita' amatoriali
parallele.
Frequenze riservate alla radioastronomia [doc .PDF].
Un elenco di frequenze riservate alla ricerca
radioastronomica ed associate alle linee spettrali di fondamentale
interesse astrofisico.
Sistemi di riferimento utilizzati in astronomia e radioastronomia [doc .PDF].
Una breve carrellata sui principali sistemi di riferimento utilizzati in astronomia ed in radioastronomia.
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| Alcune proposte di ricerca...
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Studio dei fenomeni elettromagnetici naturali nella parte inferiore dello spettro radio (bande ULF, ELF, VLF):
- Rivelazione dei fenomeni meteoritici
- Attività di monitoraggio "Radio Natura" (prog. Ispire NASA)
- Correlazione con i fenomeni sismici (precursori)
- Monitoraggio dei disturbi ionosferici legati all'attività solare.
Studio delle "tempeste radio" del Sole e di Giove in banda HF (collegamenti con il progetto RadioJove della NASA).
Interessanti correlazioni con le fluttuazioni del campo magnetico terrestre.
Programma SIDs AAVSO (monitoraggio dei brillamenti solari osservando stazioni VLF commerciali nella banda 10-40 KHz).
Attività di METEOR SCATTER (rivelazione degli echi delle tracce ionizzate da meteoriti).
Attività di ricerca SETI amatoriale (ad es. progetto BAMBI - USA) in banda SHF (rete di osservatori ciascuno dotato di piccoli strumenti).
Dettagli sui precedenti programmi sono reperibili nella pagina dei collegamenti ad altri siti interessanti.
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Quali bande di frequenza?
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Banda ELF-VLF:
non sono ricevibili le radiazioni esterne in quanto schermate dalla
ionosfera, ma si possono programmare studi molto interessanti per
rivelare l'attività meteorica (fenomeni di ionizzazione
dell'atmosfera terrestre indotta da eventi astronomici).
Interessanti correlazioni con le ricerche su "Radio Natura".
Gli strumenti di lavoro sono molto economici, semplici da costruire e da installare.
Banda HF:
si effettuano ricezioni non troppo lontane dal limite inferiore dello
spettro radio. Studio delle tempeste radio del Sole e di Giove, studio
della radiazione galattica.
In questa banda di frequenze sono particolarmente intense le radiosorgenti non termiche.
I ricevitori non sono troppo complicati da costruire, ma i sistemi
d'antenna sono molto ingombranti e caratterizzati da modesta
direttività.
Banda VHF: sarà relativamente semplice la ricezione del centro galattico, di Cassiopeia A e di Cygnus A.
Installando un buon sistema d'antenna accoppiato con un ricevitore
abbastanza sensibile si potranno rivelare le pulsar più potenti
che, a causa del loro meccanismo di emissione, presentano un massimo di
emissione proprio in banda VHF. Questa e' una ricerca abbastanza
difficile.
Ricevitori relativamente complessi e sistemi d'antenna accessibili.
Possibilità di interessanti interventi di modifica su apparati
provenienti da mercato radioamatoriale e/o surpuls, su kit di
ricevitori proposti da riviste di elettronica hobbistica e da case
produttrici di kit elettronici.
Possibilità di utilizzo di moduli sintonizzatori TV commerciali (per esperti di elettronica).
Banda UHF:
in tale banda, molto utilizzata dalla ricerca ufficiale (soprattutto
negli anni 60 e 70), le radiosorgenti accessibili ai dilettanti non
sono particolarmente intense.
I ricevitori sono relativamente complessi mentre i sistemi d'antenna
sono relativemente accessibili. E' possibile utilizzare materiale TV di
recupero (tuner ed antenne a basso costo).
Banda SHF:
in questa banda di frequenze (microonde) è molto importante la
componente termica della radiazione cosmica e, utilizzando strumenti
non troppo complicati, è relativamente semplice la ricezione del
Sole, della Luna e di altre radiosorgenti.
La diffusione di mercato della ricezione SAT-TV, GPS e della telefonia
cellulare ha reso disponibili, a prezzi molto vantaggiosi, componenti
elettronici e moduli adatti alla costruzione di efficienti radiometri a
microonde.
Una grande varietà di antenne SHF è reperibile sul mercato.
Si possono sviluppare interessanti attività dilettantistiche di
"esplorazione" radioastronomica spettrale del cielo, comprese ricerche
SETI amatoriali. |
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| Prototipo di radiometro SHF |
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Prototipo di radiometro SHF a larga banda
costruito "attorno" ad un modulo LNAC commerciale per TV-SAT, un modulo
commerciale SAT-FINDER (comunemente utilizzato dagli installatori per
facilitare il corretto puntamento delle antenne paraboliche per
TV-SAT), seguito dallo stadio di amplificazione di post-rivelazione e
da un sistema di acquisizione dati per PC (via porta RS232C) con ADC ad
8 bit.
Il sistema, particolarmente semplice ed
economico, è stato realizzato con finalità didattiche,
per dimostrare e verificare gli effetti misurabili della radiazione
termica a microonde emessa da qualsiasi oggetto "caldo".
Un
altro esempio di radiotelescopio didattico funzionante nella banda
10-12 GHz che utilizza componenti commerciali TV-SAT è descritto
in questo documento. |
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