N.21 - 29 Settembre 2005

La radioastronomia amatoriale agli inizi del XXI secolo
(Giorgio Bressan e Dario Giaiotti)

Non è trascorso un secolo da quando Karl Jansky eseguì le prime osservazioni radioastronomiche, ma la radioastronomia ha fatto passi da gigante e il contributo che essa ha dato sino ad ora alla comprensione del cosmo è a dir poco impressionante [vedi articolo "Breve storia della radioastronomia"].

Quando una branca della scienza entra nella fase che noi definiamo di "maturità sociale", allora essa inevitabilmente attrae anche gli studiosi non professionisti, quindi si insedia nella società come attività amatoriale, dove con tale aggettivo si intende che essa viene condotta non per mestiere, ma per passione e diletto.

Prima di procedere nello specifico, parlando di radioastronomia, desideriamo spendere alcune parole a proposito della qualità della scienza condotta a livello amatoriale. Molto spesso i termini "professionista" e "amatore" vengono usati come contrari, cioè indicanti due categorie di persone disgiunte che, pur occupandosi delle stesse tematiche, utilizzano metodologie diverse. Generalmente in ambito scientifico, gli "amatori" vengono considerati coloro i quali si cimentano nell'esplorazione e nella comprensione del mondo che li circonda senza attenersi strettamente al rigore e all'oggettività richiesta dal metodo scientifico. Pur dovendo constatare che molti sono quelli che si dichiarano "amatori" e praticanti di una scienza, ma in realtà si limitano a discutere di essa e ad armeggiare con gli strumenti in modo disordinato e acritico, siamo anche profondamente convinti che la maggior parte degli "amatori" svolge la propria attività con il rigore richiesto dal metodo scientifico. Inoltre l'esperienza derivante dalle numerose collaborazioni coltivate negli anni con gli astronomi professionisti ci ha insegnato che necessariamente un buon ricercatore, uno scienziato, deve essere anche un amante della materia alla quale si dedica per professione. Non è nostra intenzione criticare la categoria, e ci scusiamo se queste parole dovessero urtare la sensibilità di qualcuno, ma ad onor del vero dobbiamo testimoniare che in alcuni casi abbiamo conosciuto professionisti della scienza privi di amore per essa, assuefatti agli stimoli della ricerca, che non erano così distanti da quella figura di scienziato improvvisato che essi definivano "amatore". Ma torniamo alla radiastronomia.

Da un paio di decenni la radioastronomia ha raggiunto la "maturità sociale". Tale status è conseguenza di alcuni presupposti estremamente importanti, che sono comuni anche ad altre scienze. Innanzitutto il non professionista ha la possibilità di accedere alla tecnologia necessaria per eseguire esperimenti ed osservazioni nell'ambito della disciplina che egli ama. Tale conquista gli viene dalla possibilità di trovare sul mercato, a prezzi ragionevoli, attrezzature e componentistica che lo mettono in grado di costruire e/o usare strumenti per l'osservazione radioastronomica. In secondo luogo, le scoperte e le conoscenze specialistiche, acquisite dai pionieri, sono state consolidate e rese organiche dagli astronomi professionisti a tal punto da poter essere diffuse e divulgate anche al di fuori dell'ambiente degli esperti, cioè sono diventate conoscenze alla portata di un pubblico non esperto. Infine, è aumentata notevolmente la collaborazione tra gli astronomi professionisti, le scuole e le persone interessate alla radioastronomia.

Sicuramente la radioastronomia non ha raggiunto una diffusione tra il pubblico analoga a quella dell'astronomia ottica e probabilmente non la raggiungerà mai, almeno nell'immediato futuro, a causa della ridotta intuitività degli argomenti che essa tratta. Un telescopio classico estende la nostra capacità di esplorazione del cosmo nella banda ottica, alla quale siamo naturalmente familiari in quanto le informazioni che ne traiamo sono fruibili direttamente per mezzo di uno dei nostri sensi, la vista. L'utilizzo del radiotelescopio, invece, necessita astrazione e applicazione di concetti prevalentemente non intuitivi, frutto di ragionamenti logici non supportati da una immediata verifica sensoriale. Ciononostante molti sono coloro i quali si cimentano nell'osservazione del cielo nella banda radio. Per rendersene conto, è sufficiente fare un giro in rete dove sono presenti molti siti di singoli radioastrofili e ancor più di associazioni sparse in tutto il mondo, alcune delle quali collaborano con istituti professionali fornendo validi contributi alle attività di ricerca.

Uno degli oggetti più osservati dai radioastrofili è senz'altro il Sole, per due motivi fondamentali:
  1. il suo flusso energetico nella banda radio è facilmente rilevabile dagli strumenti amatoriali;
  2. tale flusso presenta una notevole variabilità, il che rende le osservazioni sempre stimolanti e ricche di sorprese.

Radiotelescopio con antenna a parabola
Del Sole è possibile osservare la cromosfera, cioè la parte gassosa immediatamente più esterna alla fotosfera, quest'ultima visibile otticamente. Per rilevare la radiazione proveniente dalla cromosfera, l'astrofilo necessita di un radiotelescopio sensibile alle lunghezze d'onda centimetriche. Il flusso cromosferico presenta delle variazioni che interessano specialmente alcune parti del disco solare e che sono particolarmente rapide, per questo motivo esse sono rilevabili solo per mezzo di strumenti con notevole potere risolutivo e con sufficiente prontezza.

Sicuramente alla portata di tutti gli appassionati sono invece le osservazioni della corona solare. La corona sovrasta la cromosfera e si estende nello spazio circostante alla nostra stella. La radiazione che essa emette viene rilevata comodamente nelle lunghezze d'onda metriche e superiori.

Radiotelescopio con antenna di tipo Yagi
Per tali osservazioni si utilizzano radiotelescopi aventi delle antenne le cui forme sono molto lontane da quelle tipiche dei telescopi ottici essendo esse costituite da elementi conduttori disposti nel modo più appropriato per ricevere le onde radio.

Le rilevazioni eseguite sulla corona oltre ad essere facili sono entusiasmanti in quanto il flusso cambia sia su scale dei secondi che delle ore. Non è necessario disporre di strumentazione con alto potere risolutivo, basta misurare il flusso totale emesso dal Sole. Molto interessate e facile da eseguire è la misura della correlazione sperimentale esistente tra le misure giornaliere di flusso medio coronale, le sue variazioni e il numero di macchie solari presenti sulla fotosfera, le quali sono rilevabili con semplici strumenti ottici.

Radiotelescopio con antenna di tipo a dipolo
Oltre alle osservazioni ordinarie, il Sole offre anche fenomeni straordinari particolarmente entusiasmanti, sia dal punto di vista scientifico che da quello didattico: si tratta delle eclissi, siano esse parziali o totali. A tutti gli astrofili è noto l'effetto causato dal passaggio della Luna davanti al pressoché omogeneo disco fotosferico, ma le eclissi di Sole osservate nella banda radio si presentano assai più ricche di peculiarità. La cromosfera ha un comportamento analogo a quello della fotosfera, salvo la maggiore disomogeneità della sua brillanza che conferisce un aspetto asimmetrico alla curva di luce, mentre la corona, vista la sua estensione, è soggetta sempre ad eclissi parziali e di durata ben maggiore rispetto a quelle ottiche. Le eclissi permettono, inoltre, di misurare indirettamente le dimensioni della cromosfera e della corona anche con radiotelescopi estremamente semplici aventi una bassa risoluzione angolare.
Curva di luce alla lunghezza d'onda di 3 cm
L'atmosfera del nostro pianeta è sempre trasparente alla radiazione con lunghezze d'onda metriche, perciò il Sole è osservabile tutti i giorni dell'anno in qualsiasi condizione meteorologica. Questo aspetto vantaggioso permette di utilizzare la nostra stella come sorgente radio per interessanti esperimenti didattici, programmabili per tempo, con la certezza di poterli svolgere compatibilmente ad altri impegni. Ciò è particolarmente utile nel caso si voglia coinvolgere nelle osservazioni delle scolaresche.

A tale proposito citiamo come esempio lo studio delle frange di interferenza prodotte da un interferometro amatoriale: esso offre la possibilità di toccare con mano sia il fenomeno dell'interferenza causato dalla natura ondulatoria della radiazione, sia l'aumento di risoluzione angolare ottenibile con la tecnica interferometrica, tecnica che ha prodotto e continua a portare importantissimi risultati nello studio dell'Universo.

Curva di luce ottenuta con un interferometro
Il radioastrofilo può osservare indirettamente anche i potenti brillamenti solari caratteristici delle bande X e gamma. Tali brillamenti producono degli effetti estremamente significativi sulla densità elettronica della ionosfera terrestre, alterando conseguentemente la propagazione delle onde radio artificiali.

In particolare, le trasmissioni nelle onde a frequenze molto basse (VLF) vengono riflesse dalla ionosfera terrestre. Quando dal Sole un flusso di raggi X o gamma superiore alla norma raggiunge la Terra, le parti alte della nostra atmosfera assorbono tale flusso e, a causa della ionizzazione prodotta, gli elettroni liberi nella ionosfera aumentano in numero e conseguentemente aumenta la riflettività nei confronti delle onde VLF. È in questo modo che, misurando l'intensità delle trasmissioni di una emittente artificiale nelle VLF, è possibile rilevare l'occorrenza di un brillamento X o gamma sul Sole.

Strumento per le osservazioni dei brillamenti solari
Evidentemente, per chi dispone di osservazioni cromosferiche o coronali è naturale ricercare l'eventuale esistenza nella banda radio della controparte di tali brillamenti. Tale studio permette di comprendere quali zone dell'atmosfera solare sono state coinvolte nell'evento straordinario.
Segnale artificiale nella banda VLF
Il Sole non è l'unica sorgente del nostro Sistema Solare alla portata dell'amatore. Il pianeta Giove emette radiazione nelle onde decametriche, la quale è rilevabile mediante un semplice radiotelescopio costituito da un ricevitore e da una antenna a dipolo di facile costruzione. Giove manifesta la sua attività radio sotto forma di brillamenti improvvisi che sono il risultato di una complessa interazione tra il campo magnetico del pianeta gigante e la materia presente nelle sue immediate vicinanze. Il meccanismo di produzione di questa radiazione differisce da quello termico, prevalente nei fenomeni solari, e viene chiamato "emissione di sincrotrone".
Come nascono i brillamenti nel sistema Giove-Io
Le registrazioni dei brillamenti del pianeta gigante sono più impegnative rispetto a quelle solari, in quanto necessitano di una maggior costanza e programmazione. Infatti la radiazione emessa da Giove avviene in direzioni privilegiate, quindi solo in particolari condizioni è possibile rilevare un eventuale brillamento.
Registrazione dei brillamenti di Giove
Inoltre i segnali dei brillamenti possono essere facilmente confusi con del rumore prodotto artificialmente dall'uomo o da altri fenomeni naturali, il che necessita di una adeguata esperienza per selezionare solo le rilevazioni realmente gioviane.

Restando nell'ambito di sorgenti radio presenti nel nostro Sistema Solare, sono sicuramente alla portata degli appassionati le radio rivelazioni delle meteore. Quando un meteoroide entra nell'atmosfera terrestre, la sua energia cinetica viene dissipata a causa dell'attrito con i gas atmosferici. In tale processo, le molecole del gas si ionizzano dando origine a "strisce" altamente riflettenti le onde radio, le quali tracciano nell'atmosfera parte del cammino percorso dalla meteora. Grazie a queste "strisce" di ioni ed elettroni liberi, un'antenna e un ricevitore sensibili alle onde decametriche possono rilevare i segnali provenienti da una stazione emittente che altrimenti non sarebbe raggiungibile.

Come funziona un radar meteorico
Il tutto si concretizza in un aumento del segnale radio che è tanto maggiore e duraturo quanto maggiore è l'energia cinetica dissipata dalla meteora. Si può in questo modo contare il numero di meteoroidi entranti nell'atmosfera durante un determinato periodo di osservazione, capire se questi appartengono a sciami di cui è nota la velocità relativa rispetto al nostro pianeta, classificarli in base alla loro densità.

Gli oggetti galattici ed extragalattici alla portata degli strumenti amatoriali non sono molti. Oltre al centro della nostra Galassia, con semplici antenne e ricevitori operanti nelle lunghezze d'onda metriche si possono rilevare la radiosorgente Cassiopea A e la potente radiosorgente extragalattica del Cigno.

Segnale proveniente dalla radiosorgente Cassiopea A
In tutti questi casi l'astrofilo non deve aspettarsi di ottenere dovizia di particolari, in quanto le peculiarità spaziali delle sorgenti sono rilevabili solo con l'utilizzo di strumenti professionali. Certamente, l'astrofilo che si aspetta di ottenere mappe radio delle sorgenti galattiche ed extragalattiche analoghe a quelle che vengono pubblicate sulle riviste divulgative o sui libri di radioastronomia, sarà completamente deluso dai risultati che otterrà usando i radiotelescopi amatoriali. Le osservazioni alla portata dei radioastrofili sono analoghe a quelle presentate in questo articolo e sono ben lontane da quelle ottenute con i migliori radiotelescopi esistenti, quali quelli della rete VLBI, che siamo abituati a vedere pubblicate. Ma il vero appassionato di radioastronomia sa benissimo che l'osservazione del cielo può comunque portare grandi soddisfazioni, intensificando i propri sforzi proprio su quegli oggetti che sono alla portata dei propri strumenti, come il Sole, Giove e le meteore.
Segnale proveniente dalla radiosorgente Cygnus A
Esistono gruppi di radioastrofili che contribuiscono attivamente allo studio sistematico degli sciami meteorici o dei brillamenti gioviani. Gli sforzi di questi amatori vengono raccolti dai professionisti, che provvedono alla catalogazione delle osservazioni, per loro utilissime per la comprensione dei fenomeni fisici che le riguardano.

Possiamo concludere dicendo che esiste ampio spazio per lo svolgimento di lavori didatticamente e scientificamente interessanti da parte dei radioastrofili. Inoltre, la veloce evoluzione della tecnologia incoraggia coloro che si sentono attratti dall'osservazione radio del cosmo, spingendoli a cimentarsi senza timore ... ma con impegno.



Bibliografia

Libri

Abrami A.: "Corso di Radioastronomia", ed Hoepli, 1985
Hack M.: "Corso di Astronomia", ed Hoepli, 1985

Articoli su riviste

Giaiotti D.: L'Eclisse nella banda radio, Guida all'eclisse, guide monografiche a cura dell'AFAM, 1999

Bressan G. e Giaiotti D.: L'eclisse vista da vicino, Il Sole Nero, Notiziario Associazione Friulana di Astronomia e Meteorologia, 2000

Bressan G., De Luca M., Gennaro V., Giaiotti D. Rodaro A.: Solar Eclipse, Radio Astronomy, Journal of the Society of Amateur Radio Astronomers, July/August 2000

Giaiotti D.: Progetto RadioSky: la fase operativa, AFAM Newsletter-Associazione Friulana di Astronomia e Meteorologia, N. 13, 2001

Giaiotti D.: Il sole ed il suo campo magnetico, AFAM Newsletter-Associazione Friulana di Astronomia e Meteorologia, N. 14, 2001

Giaiotti D.: L'aurora Boreale, Ulisse - nella rete della scienza, http://ulisse.sissa.it, 2001

Bressan G., Giaiotti D., Giuliani V.: Radioastronomia a scuola. Il progetto Radio Sky, Le Stelle, anno II, n. 5, 2003

Bressan G., Giaiotti D., Giuliani V.: Brillamenti X solari a portata di astrofilo, Le Stelle, anno IV, n. 25, 2005





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