Radioastronomia amatoriale: il segnale in arrivo dallo spazio, lo studio del cosmo con gli strumenti radioelettrici

1. Flavio Falcinelli
Il segnale radio in arrivo dallo spazio
Lo studio del cosmo con gli strumenti radioelettrici
Le possibilità della radioastronomia amatoriale

2. Flavio Falcinelli
La radioastronomia studia i corpi celesti analizzando la loro
radiazione elettromagnetica nell’intervallo spettrale delle onde
radio grazie ai radiotelescopi (nel campo di frequenze tipicamente
compreso fra 20 MHz e 300 GHz).
Tali oggetti sono chiamati Radiosorgenti, termine generico che
identifica qualsiasi corpo caratterizzato da emissioni radio
misurabili.
Le radiosorgenti, in funzione del loro meccanismo di emissione
specifico e prevalente, possono esibire caratteristiche fisiche e
radiative molto diverse fra loro.
radio waves
receiver where
waves are collected
waves
converted into
electro signals
computer
received as signal
Radiotelescopio
Mappa radio del cielo a 408 MHz

3. Flavio Falcinelli
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.
Ulteriore campo di indagine consiste nell’analizzare
le caratteristiche spettrali dei segnali ricevuti per
ottenere importanti informazioni sugli oggetti
radioemittenti (radio-spettrometria).
Radiomappa del quasar 3C179

4. Flavio Falcinelli
E’ composto da un sistema di
antenna, da linee di trasmissione
che convogliano il segnale
ricevuto verso un ricevitore, da
dispositivi per l’elaborazione e la
registrazione dei dati acquisiti.
La struttura comprende anche gli
organi di controllo e di
puntamento.
Concettualmente un
radiotelescopionon è troppo
differente da un normale
apparato radio-ricevente, anche
se alcune caratteristiche peculiari
sono specializzate per garantire il
corretto trattamento dei
debolissimi segnali ricevuti.
Unità di misura della densità di flusso delle radiosorgenti:
1 Jy = 1 f.u. = 10-26 W/(m2 * Hz)
chiamata JANSKY (Jy)
RADIOTELESCOPIO
strumento che consente di misurare e registrare il flusso radio
emesso dalle sorgenti celesti.

5. Flavio Falcinelli
• Segnali ricevuti molto deboli (livelli di potenza tipici
compresi fra 10-15 e 10-20 W) con caratteristiche
analoghe a quelle di un rumore.
• Problemi con il rumore interno, con le fluttuazioni di
guadagno e di temperatura del ricevitore (sono di
grande ampiezza se confrontate con le variazioni del
segnale utile).
• Livello del segnale molto inferiore al rumore di fondo.
• Problemi con le interferenze elettromagnetiche di
origine artificiale.
• Problemi con il rumore naturale proveniente dal
terreno, dall’atmosfera, etc….
Difficoltà tecniche in
radioastronomia

6. Flavio Falcinelli
La storia…
La radioastronomia è nata casualmente nel 1931 per opera di K.
Jansky, un radioingegnere (Bell & Teleph.) impegnato nello
studio dei disturbi elettromagnetici artificiali e naturali.
Egli costruì uno strumento radio orientabile in azimuth in grado
di misurare, registrare ed analizzare i disturbi elettromagnetici
che interferivano le prime radiocomunicazioni commerciali.
Il primo rudimentale
radiotelescopio (1931):
nelle intenzioni iniziali, era uno
strumento sviluppato per l’analisi dei
radio-disturbi che ostacolavano le prime
radiocomunicazioni internazionali.
E’ la famosa “giostra di Jansky”
funzionante alla frequenza di 20.5
MHz.
La struttura, in grado di ruotare di 360 ,
era organizzata come un array di
antenne loop quadrate collegato ad un
ricevitore appositamente costruito.

7. Flavio Falcinelli
Riproduzione delle registrazioni originali di Jansky del 16 Settembre 1932
Emissione radio proveniente dal centro della galassia
(Sagittario)
Spostamento
della sorgente
con le stagioni e
coincidenza delle
osservazioni dopo
un anno: origine
extraterrestre
dell’emissione
radio.
Se “ascoltata” in
altoparlante,
l’emissione radio
si manifesta come
un “soffio”, un
“sibilo” di
rumore: origine
naturale della
radiazione.

8. Flavio Falcinelli
Primo impianto intenzionalmente costruito
per osservazioni radioastronomiche:
paraboloide orientabile (9 metri di diametro) e ricevitore di
G. Reber funzionanti a 160 MHz con il quale è stato possibile
compilare la prima “radiomappa” (sky survey) della
Galassia (1944).
La prima sky survey del cielo realizzata da
Reber alla frequenza di 160 MHz (pubblicata
in “Astrophysical Journal” nel 1944).
L’antenna costruita da Reber
nel giardino di casa.

9. Flavio Falcinelli
Differenze fra astronomia ottica e
radioastronomia
La capacità di risolvere fini dettagli spaziali (potere
risolutivo) è dipendente dalla lunghezza d’onda della
radiazione.
Un telescopio ottico con 10 cm di apertura è in grado
di risolvere dettagli che richiederebbero l’utilizzo di
un radiotelescopio con un diametro superiore a 42
Km (alla frequenza di 1420 MHz)!
La sensibilità dello strumento, indipendentemente
dalla lunghezza d’onda operativa, è proporzionale
all’area efficace dell’antenna.

10. Flavio Falcinelli
Proprietà trasmissive dell’atmosfera terrestre per la radiazione
elettromagnetica. Il grafico illustra schematicamente l’altezza
dell’atmosfera dove la radiazione è attenuata di un fattore 1/2.
Osservazioni
radio dalla
superficie
della Terra.
I disturbi atmosferici e
artificiali sono molto
importanti alle basse
frequenze, mentre
diventano trascurabili
nella banda delle
microonde.
E' quindi possibile
installare un
radiotelescopio
amatoriale a 10-12
GHz anche in zone
urbane.

11. Flavio Falcinelli
Principali radiosorgenti Distribuzione spettrale delle
più note radiosorgenti.
Il “Sole quieto” (alle frequenze più
basse), la Luna e la Regione H II di
Orion A sono esempi di corpi neri
(radiazione termica).
Il “Sole attivo”, i resti di supernova
come Cassiopeia A, le radio-galassie
come Cygnus A, Virgo A e il Quasar
3C273 sono esempi di radiosorgenti
non-termiche.
La banda grigia che rappresenta lo
spettro di 3C273 indica fenomeni di
radiazione non stazionari nel tempo.
A queste frequenze operative la
radiazione solare è essenzialmente
di natura termica (radiazione del
“Sole quieto”).
E’ possibile studiare il Sole con
antenne di piccolo diametro.
Alla componente termica del Sole
sono spesso sovrapposti bursts:
studio dei flares solari a microonde.
Emissione termica della Luna.
E’ una radiosorgente relativamente
“facile”, ricevibile con antenne di
piccolo diametro.

12. Flavio Falcinelli
E' possibile parlare di radioastronomia amatoriale?
Quali sono gli strumenti utilizzabili?
Uno sguardo sulle concrete possibilità di ricerca aperte ai radioastronomi
dilettanti e sulla strumentazione realizzabile e commercialmente disponibile...

13. Flavio Falcinelli
I potenti mezzi a disposizione della
ricerca radioastronomica…
complessità e costi “astronomici”…
Il piccolo ed economico
radiotelescopio amatoriale…
25 metri
2 - 3 metri
Un confronto superficiale può
scoraggiare qualsiasi tentativo di
approccio alla radioastronomia
amatoriale…
Maggiore è la lunghezza d’onda della
radiazione elettromagnetica interessata,
enorme appare il divario fra la
radioastronomia professionale e quella
amatoriale, se il confronto è impostato sui
criteri della competizione scientifica.
Radioastronomia professionale
Radioastronomia
amatoriale
Una prima
riflessione…
Very Large Array NRAO a
Socorro (New Mexico – USA)

14. Flavio Falcinelli
Occuparsi seriamente di radioastronomia amatoriale
significa impostare un’attività sperimentale dove singole
persone o gruppi di appassionati (radioamatori, astrofili…)
possono condurre interessanti attività, anche di supporto
alla ricerca ufficiale.
Devono essere ben chiari i limiti raggiungibili e ferma la
volontà di investire tempo e pazienza nel corretto approccio
verso una disciplina che si manifesta in maniera assai meno
immediata e “spettacolare” rispetto ad altre tecniche
osservative (come ad esempio l’astronomia ottica).
Noi non siamo sensibili alle onde radio: la
“visualizzazione” dello scenario osservato e
“l’estrazione” dell’informazione che deriva dalla sua
osservazione non è immediata.
Servono strumenti (i radiotelescopi) in grado di rivelare i
segnali radio e trasformarli in informazioni utilizzabili.
Tali difficoltà contribuiscono a rendere, agli occhi del
profano, la radioastronomia molto meno accessibile ed
“oscura” rispetto all’astronomia ottica.

15. Flavio Falcinelli
Ottica:
Data la lunghezza d’onda della radiazione visibile e la struttura dei
nostri occhi, siamo in grado di visualizzare direttamente lo scenario
osservato in forma di immagine a colori con sufficiente grado di
dettaglio per le nostre esigenze di sopravvivenza quotidiana. L’utilizzo
di sistemi di amplificazione ottica, insieme con opportune geometrie di
apertura strumentale, consente di incrementare la sensibilità dei nostri
sensi per osservare meglio e più lontano.
Radio:
La lunghezza d’onda molto maggiore della radiazione, insieme alla
necessità di utilizzare opportuni “trasduttori” che rivelano
l’informazione proveniente dallo scenario osservato, rende difficoltosa
e non immediata la formazione di “immagini radio”: sono necessari
complessi, costosi ed ingombranti mezzi strumentali per ottenere dati
di “qualità visiva” paragonabili a quelli ottici. Tali difficoltà, ben note a
chi si occupa di radioastronomia professionale, si amplificano quando si
parla di radioastronomia amatoriale.
Se l’approccio dell’appassionato avviene con la mentalità
acquisita durante l’esperienza in ottica, saranno deboli le
motivazioni per iniziare e, soprattutto, continuare una valida
esperienza di radioastronomia amatoriale.

16. Flavio Falcinelli
Radiotelescopi a microonde
nella banda 10-12 GHz
Facilmente realizzabili a livello amatoriale utilizzando
componenti e moduli commerciali provenienti dal mercato
della TV-SAT (comprese le antenne).
I ricevitori in banda 10-12 GHz sono relativamente immuni
ai disturbi radio artificiali: è quindi possibile installare con
successo un piccolo radiotelescopio anche in zona urbana.
Purtroppo, le radiosorgenti in questa banda di frequenze
non sono molto numerose, né potenti: per osservarle sono
indispensabili antenne di dimensioni non trascurabili.
Con piccole antenne (da 0.60 a 1.5 metri) sono possibili
ottime osservazioni del Sole (componente termica della
radiazione, monitoraggio dei flares solari a microonde) e
della Luna.

17. Flavio Falcinelli
Gli appassionati di scienza interessati alla radioastronomia possono iniziare
un'affascinante e stimolante attività di ricerca amatoriale pur non essendo
esperti di elettronica e di tecnologie radio.
RadioAstroLab, azienda leader in questo settore, offre un'ampia gamma di
strumenti per ogni esigenza e portafoglio, in modo da consentire a chiunque di
accostarsi, con il necessario supporto, a questa meravigliosa disciplina.
Il nostro ufficio tecnico e i laboratori sono a
disposizione degli appassionati per qualsiasi
approfondimento sulla radioastronomia
amatoriale.
Adeguato supporto per ogni esigenza di
utilizzo e di personalizzazione degli strumenti.

18. Flavio Falcinelli
La serie di strumenti RAL10 è completa: dal kit di moduli premontati e tarati per chi ama “sporcarsi
le mani” costruendo un piccolo radiotelescopio nel giardino di casa, fino alla strumentazione più
sofisticata e pronta all'uso, accessori come il sistema di antenna e la montatura necessaria per il
corretto puntamento delle radiosorgenti.
In questo modo è semplice installare un radiotelescopio a microonde gestibile a distanza anche
attraverso internet. E' incluso il software che consente l'acquisizione e l'archiviazione automatica
dei dati attraverso il PC.
Sono descritte le caratteristiche importanti di ogni prodotto: è possibile ottimizzare e
personalizzare le prestazioni e sono realizzabili, previa valutazione del nostro ufficio tecnico,
modifiche e soluzioni hardware “ad hoc” per soddisfare particolari esigenze.
www.radioastrolab.it
www.radioastrolab.com
RAL10
Total-Power
Microwave
Radiometers

19. Flavio Falcinelli
RAL10KIT
Uno strumento semplice e funzionale, sviluppato per gli appassionati
che vogliono “sporcarsi le mani” con la radioastronomia: sono forniti i
componenti critici del ricevitore. Tutto il resto è commerciale.
Lo sperimentatore personalizza il radiotelescopio secondo le proprie esigenze.
La confezione comprende il modulo radiometrico microRAL10,
la scheda interfaccia USB per il collegamento con il PC, le
istruzioni di assemblaggio e il software di gestione.
I moduli sono premontati: si completa lo strumento con un
adatto contenitore, un alimentatore, un cavo coassiale e una
comune antenna con LNB funzionante nella banda TV-SAT 10-12
GHz.
Si è realizzato il primo radiotelescopio a microonde.

20. Flavio Falcinelli
RAL10AP
E' il più piccolo radiometro della serie RAL10 completo, assemblato e pronto all'uso,
“fratello maggiore” di RAL10KIT. Le caratteristiche base del ricevitore sono identiche a
quelle del precedente dispositivo, lo strumento è fornito già montato in un robusto ed
elegante contenitore metallico.
Per iniziare a lavorare è sufficiente collegare l'antenna (con LNB), l'alimentatore e
il PC: attivando il software DataMicroRAL10 si avvia l'acquisizione delle misure.
Caratteristica peculiare di RAL10AP è un'uscita audio (prelevata a valle del
rivelatore) utile a scopo di monitoraggio.
L'interfaccia di collegamento USB al PC e il software di gestione sono identici a
quelli di RAL10KIT e l'energia è fornita tramite un alimentatore esterno a 12 V o
una batteria ricaricabile.

21. Flavio Falcinelli
Software DataMicroRAL10 di acquisizione e di controllo per RAL10KIT e RAL10AP

22. Flavio Falcinelli
Osservazione amatoriale del transito solare con una parabola
satellitare e il ricevitore RAL10AP: un radiotelescopio semplice,
economico, perfettamente funzionante, con elevato valore didattico.
Ricevitore RAL10AP durante
l'osservazione del Sole.

23. Flavio Falcinelli
Esempio di registrazione effettuata con RAL10KIT:
Il profilo di brillanza della Luna (in alto) è la convoluzione fra la
temperatura di brillanza dello scenario e la funzione guadagno
di antenna. L’antenna di un radiotelescopio “smussa” la vera
distribuzione di brillanza: l’entità della distorsione è dovuta alle
caratteristiche di “filtraggio” spaziale dell’antenna ed è legata al
rapporto fra le dimensioni angolari del fascio di ricezione e
quelle apparenti della radiosorgente. Nessuna distorsione si
verifica se il diagramma di ricezione dell’antenna è molto stretto
rispetto all’estensione angolare “radio” della sorgente.
Confronto fra la registrazione simulata del transito lunare e
l'osservazione reale (grafico in basso) effettuata con RAL10KIT
da un nostro cliente.
Moon

24. Flavio Falcinelli
Esempio di registrazione effettuata con RAL10AP:
Le registrazioni mostrano i segnali radar in
banda X (10 GHz) delle imbarcazioni quando
l'antenna è orientata verso il mare.
Prova di “ascolto”:
Si è utilizzata l'unità esterna
RAL10_LNB equipaggiata con
un'antenna horn tronco-piramidale
(20 dB), posizionate su un cavalletto
fotografico.
Un PC portatile acquisisce il segnale
radiometrico a 11.2 GHz con il
software DataMicroRAL10, mentre
è contemporaneamente registrato il
segnale audio proveniente dal
rivelatore (uscita audio di post-
rivelazione di RAL10AP), in forma di
spettrogramma (software free
Spectrum Lab).
Segnale radiometrico proporzionale alla potenza della
radiazione captata dall'antenna
Spettrogramma: visualizza l'andamento
nel tempo delle componenti in
frequenza del segnale ricevuto

25. Flavio Falcinelli
Questi esperimenti, pur nella loro apparente semplicità, sono didatticamente
importanti perchè consentono, con immediatezza ed economia, di conoscere e
sperimentare le varie problematiche che riguardano l'osservazione
radioastronomica.
Sono presenti i blocchi fondamentali che costituiscono un radiotelescopio,
anche se di struttura elementare, e sono affrontate le problematiche che
rendono inizialmente “oscura” la tecnica radioastronomica:
● Struttura di un radiotelescopio.
● Familiarizzazione con la tipologia dei segnali ricevuti, la loro dinamica e la loro
variabilità nel tempo.
● Concetto di temperatura di brillanza dello scenario osservato (radiazione del
terreno, del “cielo freddo”, etc...).
● Orientamento del sistema di antenna e caratteristiche principali del “campo di
vista” del radiotelescopio.
● Pratica dei sistemi di acquisizione e di riduzione dei dati.

26. Flavio Falcinelli
Installazione pilota presso
l'osservatorio astronomico
del Museo Del Balì (PU).
Radiotelescopio completo, automatizzato e controllabile da remoto:
ricerca radioastronomica dilettantistica avanzata alla portata degli
sperimentatori, degli astrofili, dei radioamatori, degli studenti.
La ricerca radioastronomica semi-professionale: RAL10+RAL230ANT
Radiotelescopio a 11.2 GHz con antenna diametro 2.3 metri.

27. Flavio Falcinelli
Transiti della radiosorgente Taurus A (M1) registrati con RAL10 e l'antenna RAL230ANT.
La tecnica del transito consiste nell’identificare l’oggetto di cui si vuole registrare l’emissione radio, puntare lo strumento nella
zona di cielo interessata dal transito dell'oggetto nel prossimo futuro (ad esempio 30 minuti dopo) e fermare il radiotelescopio in
quella posizione. A causa della rotazione apparente del cielo (rotazione terrestre), l’oggetto si sposterà verso l’area di cielo “vista”
dall’antenna, sarà intercettato dal fascio di ricezione e passerà oltre.
Nell'esperimento sono stati programmati 5 transiti consecutivi della stessa zona di cielo, ampi 4 gradi ciascuno: il software
RadioUniverse (che controlla il ricevitore RAL10 e l'antenna RAL230ANT) registra automaticamente i transiti. Si elaborano
successivamente le misure calcolando la media dei valori (traccia di colore rosso) per ridurre il rumore casuale e incrementare la
visibilità della sorgente radio.
Registrazione di debolissimi segnali radio
(rumori, come soffi immersi nel fruscio di
fondo del radioricevitore...) provenienti
da un oggetto celeste distante circa 6500
anni luce.
Questo significa che quel debole picco
nel segnale radio catturato dal
radiotelescopio è partito dalla sorgente
tanto tempo fa...
Taurus A è ciò che rimane (Nebulosa del
Granchio) della supernova osservata per
la prima volta dagli astronomi cinesi nel
1054.

28. Flavio Falcinelli
Transiti della radiosorgente Cassiopea A registrati con RAL10 e l'antenna RAL230ANT.
Cassiopea A è un oggetto “quasi puntiforme”, spesso utilizzato dai radioastronomi come radiosorgente campione per verificare le
caratteristiche dell'antenna di un radiotelescopio. Interessa misurare il parametro HPBW (Half Power Beam Width) che
rappresenta l'ampiezza a metà potenza del lobo principale dell'antenna (espresso in gradi), in sostanza il suo campo di vista.
Analizzando le registrazioni (traccia arancione che rappresenta la media calcolata su 5 transiti consecutivi) si vede come il tempo
impiegato da Cassiopea A per attraversare i due punti a metà potenza (indicati dalle righe verticali) sia pari a circa 6 minuti.
Considerando che la sua declinazione è δ=59°, si ricava il valore HPBW=0.8° .
Cassiopea A (distante circa 7500 anni
luce) è il resto di una stella supernova
esplosa ed osservata per la prima volta
da Tycho Brahe l'11 novembre 1572.

29. Flavio Falcinelli
Sono realizzabili “immagini radio” (sky surveys)
dello scenario celeste “visto” dall’antenna di un
radiotelescopio amatoriale?
E’ possibile costruire “immagini radio” della zona di cielo studiata
realizzando mappe in falsi colori che riportano la distribuzione spaziale
dell’intensità (o di altre proprietà) del segnale ricevuto.
Un radiotelescopio a singola antenna è l’analogo di una lente o
di uno specchio con una fotocellula montata sul punto focale:
per realizzare una mappa della radio-brillanza del cielo è
necessario osservare la regione punto per punto.
Il modo più semplice:
1) Puntare l’antenna del radiotelescopio al meridiano sulla declinazione
di interesse;
2) Attendere che la rotazione della Terra consenta la registrazione del
segnale ricevuto in corrispondenza di ogni “strisciata” di cielo
intercettata dal fascio di ricezione dell’antenna.
Modificando dopo ogni scansione la declinazione e ripetendo il
processo di registrazione, si completa la mappatura del cielo,
striscia per striscia.

30. Flavio Falcinelli
Il software RadioUniverse gestisce
automaticamente e da remoto il
radiotelescopio.
Sono impostabili i parametri operativi dello
strumento e i movimenti dell'antenna:
programmando la funzionalità di
“mappatura” di una specifica regione del
cielo è possibile realizzare una “radio-
immagine” con falsi colori della regione
intercettata dal fascio di antenna.
Le funzionalità appena
descritte sono realizzabili, in
modo automatico e calibrato,
con il radiotelescopio
RAL10+RAL230ANT.

31. Flavio Falcinelli
Il software RadioUniverse controlla la posizione
dell’antenna e i parametri di acquisizione del
ricevitore RAL10PL.
E' possibile non solo registrare il dato
radiometrico proveniente dall'area di cielo
osservata, ma anche programmare transiti o
radio-immagini delle radiosorgenti.
Una finestra mostra tutto il cielo con la
posizione delle principali radio-sorgenti
rispetto alle stelle e alle costellazioni.
Per registrare i deboli segnali radio emessi dalle
sorgenti esterne al sistema solare è
fondamentale l'elaborazione dei dati.
Il software RUviz (RadioUniverseVisualizer)
importa i dati catturati da RadioUniverse e li
elabora in maniera molto semplice e veloce.
E' possibile, partendo dalla registrazione di
diversi transiti consecutivi dell'area del cielo
osservata, realizzare radio mappe anche di
sorgenti deboli come Cassiopea A o Taurus A.

32. Flavio Falcinelli
Grazie per l'attenzione
e.....
Arrivederci!