SMT: Piccoli Telescopi a Microonde

Sperimentare con la radioastronomia.

Modulo radiometrico microRAL10 di RadioAstroLab
Il modulo radiometrico microRAL10 di RadioAstroLab: è il nucleo centrale di un radiotelescopio Total-Power a microonde.

Grazie alla reperibilità e all’economicità di antenne, moduli e accessori provenienti dal mercato della TV satellitare, non è difficile costruire e installare un piccolo radiotelescopio funzionante nella banda di frequenze fra 10 GHz e 12 GHz per osservare il Sole e la Luna: sperimentando “sul campo” sarà divertente apprendere i principi della radioastronomia e le tecniche di osservazione.

Schema a blocchi del ricevitore RAL10 di RadioAstroLab
Schema a blocchi tipico di un radiotelescopio Total-Power a microonde (radiometro).

Come si è visto in RadioAstronomia, l’intensità dei disturbi (artificiali e naturali) diminuisce all’aumentare della frequenza, fino a che diventa importante il rumore atmosferico dovuto al vapore acqueo e all’ossigeno (da qualche decina di GHz in su): per questo motivo è ancora possibile installare un radiotelescopio a microonde in zona urbana, mentre è molto difficile la ricezione alle frequenze più basse. In quest’ultimo caso saremo obbligati a scegliere una zona rurale elettromagneticamente quieta.

Un piccolo radiotelescopio a microonde basato sul ricevitore RAL10 di RadioAstroLab
Mini Radiotelescopio” a microonde (10-12 GHz) che utilizza un’antenna horn da 27 dB di guadagno.

 

Antenna Horn sperimentale per 10-12 GHz
Particolari costruttivi dell’antenna horn sperimentale per 10-12 GHz.

Un radiotelescopio “per tutti” dovrebbe essere facilmente realizzabile, economico e di immediato funzionamento: è desiderabile che il nucleo centrale dello strumento sia un modulo progettato “ad hoc” comprendente le parti più complesse del ricevitore, che sarà completato utilizzando altri dispositivi commerciali facilmente reperibili. La Fig. 3  mostra un piccolo radiotelescopio che utilizza un’antenna horn accoppiata a un LNB (Low Noise Block) commerciale per TV-SAT 10-12 GHz collegato al ricevitore RAL10. La caratteristica vantaggiosa di questa antenna è legata al fatto che l’apertura del feed è rivolta verso il cielo e riceve un contenuto minimo di radiazione indesiderata dal terreno. Nell’esempio mostrato, il radiometro è gestito dal software ARIES installato su una scheda-piattaforma Raspberry PI equipaggiata con periferiche USB, WiFi, Ethernet e sistema operativo Linux Raspbian che realizzano un sistema di controllo del radiotelescopio economico e compatto. La capacità di ri-connessione automatica di ARIES in caso di blackout della tensione di rete garantisce la massima sicurezza nell’acquisizione dei dati in assenza di operatore.

L’antenna, che capta la debole radiazione cosmica, è il componente più importante: la sensibilità e le prestazioni dello strumento saranno proporzionali alle sue dimensioni. Per un dato guadagno, le dimensioni dell’antenna (quindi il peso e l’ingombro) diminuiscono all’aumentare della frequenza: è facile costruire il primo radiotelescopio utilizzando una comune antenna a riflettore parabolico per la TV satellitare. Questa struttura è vantaggiosa nel rapporto prestazioni/dimensioni. Data la piccola lunghezza d’onda, anche i piccoli strumenti amatoriali avranno accettabili caratteristiche direttive e potere risolutivo. Anche se a queste frequenze non “brillano” molte radiosorgenti (esclusi il Sole e la Luna), la sensibilità del sistema è esaltata dalle grandi larghezze di banda utilizzabili e dalla ridotta influenza dei disturbi artificiali: il radiotelescopio può essere installato sul tetto o nel giardino di casa, evitando i satelliti geostazionari televisivi.

Purtroppo non sono molte le radiosorgenti osservabili: solo il Sole e la Luna con antenne di piccolo diametro ma, essendo molto intensa la loro emissione, il loro studio rappresenta un ottimo punto di partenza per familiarizzare con gli strumenti e con le tecniche della radioastronomia. Per registrare radiosorgenti più deboli, come Taurus A, Cassiopeia A, Cygnus A e Virgo A saranno necessarie antenne di maggiori dimensioni.

Registrazione di un transito lunare a 11.2 GHz con RAL10 di RadioAstroLab
Registrazione di un transito lunare a 11.2 GHz in una giornata nuvolosa.

Le immagini mostrano alcuni esperimenti di ricezione della Luna con un radiotelescopio a microonde basato sul ricevitore RAL10 di RadioAstroLab. Questo radiometro a potenza totale è termostabilizzato e garantisce un’eccellente stabilità della misura al variare della temperatura esterna. L’analisi di queste registrazioni ci fornisce un’idea  delle prestazioni ottenibili da un radiotelescopio Total-Power.

Il transito della Luna è osservabile nonostante possibili errori di puntamento (l’orientamento dell’antenna è manuale) e presenza di nuvolosità. Nei grafici in alto si vede una “panoramica” della sessione di misura iniziata il pomeriggio del giorno precedente con il cielo coperto di nubi, terminata alcune ore dopo il transito con tempo tendente al sereno. Sotto è riportato un confronto fra la curva teorica attesa del transito lunare (ideale, simulata) e quella effettivamente osservata.

Transito lunare a 11.2 GHz con RAL10 di RadioAstroLab
Particolare del transito lunare a 11.2 GHz registrato con il radiometro total-power RAL10 di RadioAstroLab.

Effettivamente la Luna è una radiosorgente facilmente misurabile a 10-12 GHz. Nel visibile la sua emissione è quasi esclusivamente dovuta alla luce riflessa del Sole, mentre nelle microonde è originata dalla temperatura fisica come un corpo nero a circa 200 K. A differenza di oggetti molto attivi come il Sole, con un’emissione radio complessa dovuta a diverse componenti, la Luna è priva di fenomeni transitori osservabili. Ciò non diminuisce l’interesse del radioastronomo dilettante: è istruttivo, ad esempio, studiare come varia l’emissione radio lunare al variare della percentuale di illuminazione del disco (fasi) o durante un’eclissi, dato che il suo segnale è registrabile anche quando l’oggetto non è visibile.

Transito lunare e compensazione della deriva della linea di base radiometrica
Transito lunare registrato con un radiotelescopio a microonde (11.2 GHz) che utilizza un’antenna parabolica offset per TV-SAT da 80 cm di diametro, il ricevitore RAL10 (termostabilizzato) e il software di acquisizione ARIES di RadioAstroLab.

Come è ben chiarito nella pagina RALtropo, l’influenza delle condizioni meteo, in particolare la presenza di pioggia e/o di nubi cariche di acqua, limita la qualità delle osservazioni radioastronomiche nella banda di frequenze da 10 GHz a 12 GHz. Il segnale ricevuto può risultare attenuato, rispetto a quello atteso, a causa del contributo di rumore dell’atmosfera (tempo nuvoloso), dell’efficienza non ottimale dell’antenna (stimata attorno al 50%), del rumore captato dai lobi secondari e proveniente dal terreno e dagli edifici vicini, da possibili errori di puntamento dello strumento.

Transito della Galassia a 1420 MHz con il ricevitore RAL10AP di RadioAstroLab
Transito della Galassia nella regione del Cigno ottenuto con un radiotelescopio a microonde. Si tratta di un ricevitore ad amplificazione diretta (non prevede conversioni di frequenza): il segnale ricevuto è amplificato, filtrato e rivelato direttamente alla frequenza originale.

Compensazione della linea di base radiometrica nel transito della Galassia a 1420 MHz
Transito della Galassia nella regione dl Cigno a 1420 MHz.

Le precedenti immagini mostrano un transito della Via Lattea (nella regione del Cigno), alla frequenza di 1420 MHz, registrato con il ricevitore RAL10AP Microwave Radiometer di RadioAstroLab. Per la prova si è utilizzata un’antenna horn da 20 dB di guadagno (già utilizzata per gli eperimenti descritti in Spettri @ 1420 MHz), un LNA con 40 dB di guadagno e doppio filtro in banda, seguito da un amplificatore di linea standard TV-SAT da 12 dB (950-2250 MHz) prima del radiometro. Questo schema è tipico di un ricevitore ad amplificazione diretta, nel quale la frequenza ricevuta è amplificata, filtrata e rivelata senza traslazioni in banda. La figura mostra anche la procedura utilizzata per compensare la deriva nella linea di base della risposta radiometrica, frequentemente presente nelle registrazioni radioastromiche, dovuta alle variazioni dei parametri del ricevitore con la temperatura. E’ sempre utile verificare la bontà delle nostre registrazioni confrontandole con la curva (ideale) che ci attenderemo di osservare quando la nostra antenna, con specificato campo di vista, punta verso quell’oggetto:  nella Fig. 9 si vede la sovrapposizione dei due grafici.

Il grafico ottenuto non è un profilo della riga dell’idrogeno a 1420 MHz nel dominio della frequenza, ma la variazione di potenza (nel dominio del tempo durante il transito) che testimonia l’emissione complessiva della Galassia e della radiosorgente Cygnus A non risolte dal radiotelescopio a causa dell’ampio campo di vista dell’antenna (dell’ordine di 16°).

 

Transito di Cygnus A a 11.2 GHz con il ricevitore RAL10 di RadioAstroLab
Transito di Cygnus A a 11.2 GHz.

La Fig. 10 mostra il transito di Cygnus A alla frequenza di 11.2 GHz, al limite della sensibilità strumentale (il flusso della radiosorgente è dell’ordine di 127 Jy). Confrontando questa registrazione con quella della Fig. 9  si nota come, in questo caso, l’emissione di Cygnus A sia visibile rispetto alla radiazione di fondo della Galassia (che è trascurabile per frequenze vicine a 10 GHz) grazie alla maggiore risoluzione del radiotelescopio (antenna con beam più stretto).

Analoga registrazione è quella del transito di Taurus A visibile in Fig. 11.

Transito di Taurus A a 11.2 GHz con il ricevitore RAL10 di RadioAstroLab
Transito di Taurus A a 11.2 GHz.

Con successivi articoli approfondiremo gli esperimenti radioastronomici e la strumentazione utilizzabile nella banda delle microonde.