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.
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.
