Hydrogen Line Radioastronomy: il “suono” dell'idrogeno. Esperimenti amatoriali di ricezione dell'elemento più diffuso nell'universo.

Uno degli esperimenti più interessanti e affascinanti di radioastronomia amatoriale riguarda la ricezione del “fischio” dell'elemento più abbondante dell'universo, l'idrogeno.

Quando parlo di “fischio” intendo il tono a una precisa frequenza (1420.4 MHz, lunghezza d'onda 21.1 cm) emessa dall'idrogeno neutro quando esso, dopo aver acquistato energia dalle collisioni con altri atomi o elettroni, ritorna allo stato di riposo. Nello stato eccitato gli spin del protone e dell'elettrone si allineano per tornare a riposo dopo qualche milione di anni, rilasciando energia elettromagnetica alla lunghezza d'onda di 21.1 cm. La probabilità dell'evento è molto bassa ma, se consideriamo l'enorme numero di atomi di idrogeno presenti nello spazio (in particolare nella materia interstellare), diventa osservabile.

A differenza dell'emissione continua a spettro (quasi) uniforme come, ad esempio, la radiazione termica a microonde del Sole quieto o della Luna, lo studio degli spostamenti doppler della riga discreta a 21 cm, rispetto alla sua frequenza di riposo 1420.406 MHz, evidenzia gli spostamenti delle nubi di idrogeno neutro nella Galassia e consente di calcolare la velocità relativa delle masse di idrogeno rispetto all'osservatore. Inoltre, l'analisi dell'intensità della riga ci permette di stimare la quantità di idrogeno “vista” dall'antenna. Questo è un ottimo mezzo per verificare la struttura della nostra galassia, tracciando mappe che mostrano le concentrazioni e i movimenti di questo gas nei bracci a spirale (l'osservazione a 21 cm non è oscurata dalla polvere inter-stellare come nel visibile).

Antenna horn tronco-piramidale per 1420 MHz da 20 dB di guadagno utilizzata negli esperimenti.

  

Sono reperibili sul web molti ed eccellenti progetti amatoriali che descrivono l'attrezzatura necessaria per effettuare questo tipo di osservazioni: si parte dall'utilizzo delle semplici ed economiche chiavette SDR fino ai sistemi più sofisticati, con antenne a riflettore parabolico o array di yagi e di eliche che garantiscono un guadagno sufficiente.

Come personale contributo descriverò un radiotelescopio appositamente sviluppato per osservazioni a 1420 MHz (e dintorni) e applicazioni SETI.

 

Come si vede dalle immagini, il sistema è composto da un'antenna horn piramidale con 20 dB di guadagno, manualmente orientabile in azimuth ed elevazione, un preamplificatore a basso rumore che invia il segnale captato dall'antenna al ricevitore, un sistema di acquisizione dati e un personal computer per l'elaborazione.

Probe dell'antenna supportato da un connettore N fissato alla parete (per i particolari si rimanda all'articolo http://www.setileague.org/articles/horn.htm).

   

Tutti i componenti, a parte i dispositivi LNA, il sistema di acquisizione e, ovviamente, il PC, sono stati costruiti “ad hoc”. Particolare cura è stata posta nello sviluppo del ricevitore, in modo da garantire l'elevata stabilità di frequenza che si richiede a un radio-spettrometro. Infatti, la precisione nella misura di piccoli spostamenti in frequenza delle nubi di idrogeno rispetto alla frequenza di riposo si traduce nella corrispondente precisione nella misura della velocità relativa delle masse gassose rispetto all'osservatore.

Per raggiungere questo obiettivo, si è sviluppato uno schema di ricevitore a singola conversione di frequenza in banda-base (0-20 MHz) con demodulatore in quadratura (uscite I & Q – vedi schema a blocchi). L'oscillatore è un sintetizzatore di frequenza programmabile con riferimento di precisione a 10 MHz termostabilizzato (OCXO), a basso rumore di fase e agganciato al segnale PPS proveniente da un ricevitore GPS integrato. Sono così garantite le prestazioni di stabilità in frequenza richieste per un radio-spettrometro ad elevata risoluzione.

L'acquisizione dei dati è stata affidata a una scheda oscilloscopio portatile PicoScope 2205A (2 canali con 25 MHz di banda passante ciascuno) collegata al PC (e alimentata) attraverso una porta USB. Il costruttore fornisce le API per controllare lo strumento: in questo modo gli sperimentatori più intraprendenti possono sviluppare software personalizzati. Comunque, è sempre possibile utilizzare il software PicoScope6 (fornito in dotazione) in modalità analizzatore di spettro: si salvano in formato testo le schermate degli spettri acquisiti e mediati in modo da predisporre successive e comode elaborazioni con un foglio di calcolo (come Excel).

Data la mia passione per le antenne horn, mi ha incuriosito l'articolo riportato nel sito http://www.setileague.org/articles/horn.htm che descrive la costruzione di un'antenna di questo tipo per 1420 MHz. Si hanno diversi vantaggi: elevata riproducibilità, bassa criticità realizzativa e ridotto livello dei lobi laterali (infatti l'horn è spesso utilizzato come antenna standard nelle misurazioni). Ho verificato le prestazioni teoriche del progetto originale simulando il comportamento della struttura con il software CST Studio: i risultati sono riportati nelle precedenti immagini, dove si vede una tipica realizzazione amatoriale che ricalca, con minime differenze, il progetto originale.

L'antenna è stata realizzata con fogli di alluminio uniti con angolari e rivettati insieme. La struttura di sostegno è stata costruita con assi di legno recuperate da bancali e verniciate. Si tratta di un semplice sistema di puntamento alto-azimutale manuale per osservazioni al transito: si orienta il sistema in azimuth verso sud (puntamento al meridiano) e si muove l'antenna in elevazione nella posizione desiderata aiutandosi con il goniometro mostrato nell'immagine.

Preamplificatore a basso rumore (LNA), elevato guadagno ed elevata dinamica collegato fra antenna e ricevitore.

 

Impianto ricevente sperimentale per la ricezione della riga a 21 cm dell'idrogeno.

Il segnale captato dall'antenna è amplificato con un “robusto” LNA (vedi figura) prima di essere inviato al ricevitore: sono stati utilizzati due amplificatori a basso rumore ed elevata dinamica della Mini-Circuits collegati in cascata (erano disponibili in laboratorio e avevano caratteristiche adatte all'applicazione), ciascuno con un fitro passa-banda (circa 200 MHz di banda, centrata su 1420 MHz) realizzati in casa. La cifra di rumore del sistema non è ottimale (poco superiore a 1 dB), anche se adeguata. Poichè il rumore del cielo a queste frequenze è minimo, è desiderabile sfruttare il massimo vantaggio ottenibile da un sistema ricevente con minima rumorosità: per questo è allo studio lo sviluppo di un LNA a bassissmo rumore (tipicamente 0.2-0.5 dB, con banda relativamente ampia ed elevata dinamica), da inserire tra l'antenna e il preamplificatore. Il mercato offre, comunque, numerose possibilità di scelta.

Struttura del ricevitore a singola conversione di frequenza in banda-base (0-20 MHz) con demodulatore in quadratura. Sono disponibili le due uscite I & Q dei segnali in banda-base e l'uscita singola I+Q (banda 0-10 MHz) con reiezione della frequenza immagine effettuatata a livello hardware. I segnali in banda-base sono elaborati dalla scheda PicoScope 2205A funzionante in modalidà analizzatore di spettro.

 

Nelle prime prove di ricezione, finalizzate a verificare la funzionalità del radiotelescopio, si è orientata l'antenna allo zenith e si è registrata un “fettina” della banda istantanea del ricevitore fra 1420 MHz e 1421 MHz. Le seguenti figure mostrano lo spettro del segnale ricevuto opportunamente mediato.

Tenendo conto del fatto che il posizionamento dell'antenna non era ideale, dato che si è ricevuto rumore (captato dai lobi laterali dell'antenna) dovuto alle vicine pareti dell'edificio e alla presenza di alberi ad alto fusto, anche se lo strumento “vede” una regione di cielo lontana dalla Via Lattea, quindi meno ricca di idrogeno, la riga di emissione a 21 cm è ben osservabile. Naturalmente mi attendo un significativo incremento del livello di segnale quando la galassia transita, nel suo moto apparente in cielo, attraverso il lobo di ricezione dell'antenna.

Nei prossimi giorni organizzerò alcune osservazioni di questo tipo, in modo da evidenziare l'incremento di segnale e l'andamento del profilo della riga quando il radiotelescopio intercetta il piano della Via Lattea, ricavando la velocità relativa della massa gassosa.

In queste pagine vi aggornerò sui risultati degli esperimenti.