29 Marzo 2009 Corrado Trigilio

L’Universo invisibile della

RadioastronomiaLe onde radioGli iniziI radiotelescopi L’universo radio

La Radioastronomia non e`...

…”ascoltare” i dati radio!

…ma “osservare” ed interpretare i dati radio

Cosa significa “Osservare”

• Noi vediamo un oggetto quando la luce emessa o riflessa da esso interagisce con le cellule dei nostri occhi

• Osservare un oggetto astronomico significa far interagire la radiazione elettromagnetica che emette con appositi rivelatori

Cos’è allora la radiazione elettromagnetica?

• Un’ onda che trasporta energia• Un’ oscillazione del campo elettrico e magnetico• Causata dall’oscillazione di cariche elettriche• Un “pacchetto” di energia (un fotone)• Si propaga anche nel vuoto (non esiste l’etere)

Viaggia alla velocità della luce (300.000 km/s)…

…che è la stessa, indipendentemente dalla velocità dell’osservatore

Lo Spettro Elettromagnetico

Piccola l, grande energia

Grande l, bassa energia

Range di l: da 300 metri a 0.5 mmRange di frequenze: da 1 MHz a 500 GHz

Banda RADIO

L’ UV, i raggi X ed i g ionizzano l’atmosfera

…creando una barriera

Ma non tutta la radiazione dallo spazio arriva alla superficie

terrestre…

Finestra radio

largo intervallo di l (n)

da l ~ 0.33 mm a ~ 20 m!

(n = 1300 GHz ~ 15 MHz )

La nascita della radioastronomia

1901 Guglielmo Marconi:

Prime comunicazioni transatlantiche a bassa frequenza

… ma prima ancora…

Compagnie telefoniche molto interessate

Inizio dell’uso commerciale delle comunicazioni radio

Le apparecchiature richiedevano grandi potenze...

Ricetrasmittenti ad onde corte (3-30 MHz) più economiche

Si cercò di trasmettere a onde corte, ma…

Trasmissioni ad alta frequenza (20-30 MHz) rumorose

Perché??? Karl Jansky (AT&T Bell Labs )

“ascolto sistematico” con antenna “direttiva” a 22 MHz

Cosa trovò?Scariche elettrostatiche da temporali

Debole rumore non identificabile…

…ma periodico con la rotazione della Terra!

(23 ore e 56 minuti)

… di origine cosmica!

Stava “osservando” il centro della Galassia (Sagittarius-A)

5 maggio 1933

Come vediamo il cielo con i nostri occhiAll’inizio la Radioastronomia non

fu accettata come parte dell’Astrofisica

Ma qualche astronomo lungimirante capì che l’universo è trasparente alle onde radio…

… si può osservare fino al confine dell’Universo…

… si vedono “cose mai viste prima”

In luce “normale”, nel visibile,…

...non vediamo il centro della Galassia…

…che nel Radio è stata la prima sorgente osservata!

...non vediamo il centro della Galassia…

Il centro della Galassia

Visibile

“Tante” stelle

Ammassi stellari

Nebulose

Nubi interstellari

Centro nascosto

Il centro della Galassia

Infrarosso

Nebulose

Nubi interstellari

Polveri in emissione

Centro visibile

Scompaiono le stelle

Oggetti non visti prima

Resti di Supernovae

Nebulose diffuse

Sgr A

Il più brillante

Il centro della Galassia

Radio

Il centro della Galassia

Sagittarius A

Sgr A*

Grande dinamica

Strutture a filamenti

Campi magnetici

Sgr A*

Il vero Nucleo della Galassia.

Gas ionizzato entro 10 anni luce da un qualcosa…

Il nucleo a 1,3 cm.

Siamo a 2 a.l vicino al centro.

Una struttura vorticosa… a girandola

Da quanto si muovono velocemente si risale alla massa di ciò che sta al centro

Massa Buco Nero:

Qualche MILIONE di masse solari M

Siamo in grado di osservare stelle che si muovono attorno al centro (con misure radio e IR).

Accuratezza Specchio 0.1 l

Il Radiotelescopio

Convogliano le onde in un unico punto, il fuoco

La sensibilità cresce con l’area del telescopio (d 2 )

L’onda radio viene convertita in segnale elettrico

Il segnale viene poi analizzato

Grandi Radiotelescopi nel mondo

Jodrell Bank(Manchester)

75 m

Grandi Radiotelescopi nel mondo

Grandi Radiotelescopi nel mondo

Parkes(Australia)

64 m

Grandi Radiotelescopi nel mondo

Effelsberg(Bonn)100 m

Grandi Radiotelescopi nel mondo

Arecibo(Portorico)

300 m

Grandi Radiotelescopi nel mondo

un radiotelescopio di 32 m di diametro vede…

Se osserviamo una sorgente “puntiforme”

sottende un angolo

~l /d

Il potere risolutivo

Banda radio: l = 20 cm

D= 80 m 10’

D= 30 m 30’

D=700 m 1’

Occhio : l ~ 10-3 mmD = 5 mm 1’

I Radio telescopi sono un po’ miopi!

Confrontiamo col nostro occhio

Ma anche con i più grandi radiotelescopi non abbiamo

grandi poteri risolutivi

Come facciamo a sapere da quale astro proviene la

radiazione ???

Perchè non ne costruiamo uno enorme, “finto”, fatto da tanti altri piccoli radiotelescopi???

IDEA!!!(da premio Nobel)

Nasce l’Interferometria

Grazie al fatto che la radiofrequenza è facilmente “maneggiabile”

Potere Risolutivo ~ l/d

(d = distanza antenne)

d

Westerbork (Olanda)14 antenne di 25 m

Dmax ~ 3 km

1” a 20 cm

ATCA (Australia)6 antenne di 22 m

Dmax ~ 6 km

Very Large Array (New Mexico)27 antenne di 25 m

Dmax ~ 30 km

1” a 20 cm

Very Long Baseline InterferometryVLBI Network europeo

18 Radiotelescopi

risoluzione: 1 millesimo di secondo d’arco

Very Long Baseline InterferometryVLBI Network europeo

Un millesimo di secondo d’arco??? Cos’è???

L’angolo sotteso da:

Una mosca vista da 1000 km di distanza

Un uomo sulla luna visto da terra

Paradossalmente, il più alto potere risolutivo si ottiene nel radio, dove l è grande

Very Long Baseline Array (VLBA)

Dal 1993

10 antenne da

25-m negli USA

Correlatore a Socorro (NM)

L’ INTERFEROMETRO A LUNGHISSIMA BASE

Global VLBI

Un radio telescopio grande come la Terra!

La Radioastronomia in Italia

32 m

CROCE DEL NORD (1964)408 MHz – 73.5 cmEW: 564 x 36 m

NS: 64 a d=10 m (23.5 x 8 m)

MEDICINA

Parabola di 32 m1.4– 23 GHz

1983

CROCE DEL NORD (1964)408 MHz – 73.5 cmEW: 564 x 36 m

NS: 64 a d=10 m (23.5 x 8 m)

MEDICINARadiotelescopio di NOTO

- Freq. 327 MHz / 43 GHz

- Lungh. d’onda 90 cm / 7 mm

- Accuratezza Specchio: 0.2 mm

SARDINIA RADIO TELESCOPES. Basilio (Cagliari)

64 m300 MHz – 100 GHz

Foto aerea del 2003

Foto aerea del 2007

Foto aerea del 2008

Breve viaggio nell’Universo radio

• Abbiamo già visto Sgr A…

• La nascita e la morte delle stelle

• Galassie

• Radio Jets

• … ci sarebbero tantissime altre cose!

Dove nascono le stelle…L483 Nube molecolare

Infrarosso (1.2 microns) Radio: molecola CO

Vediamo dentro le nubi di polveri

…con i loro sistemi planetari

Nebulosa di Orione

Resto di Supernovaesplosa 300 anni fa

Ma la radioastronomia ci rende testimoni sia della nascita che della morte violenta delle stelle

Cassiopeia A

La Nebulosa del Granchio

• Resto della supernova vista nel 1054

• La stella centrale è diventata una PULSAR

Ma la radioastronomia ci rende testimoni sia della nascita che della morte violenta delle stelle

Supernovae in altre galassie

SN 1993J in M81 Observazioni VLBI dal17 Mag 1993 al 25 Feb2000

Andiamo a vedere le altre galassie “normali”

Idrogeno nelle Galassie

M51• Biano-nero: immagine

ottica

• Blu : Immagine radio alla frequenzadell’idrogeno (21cm)

• dove si formanonuove stelle

• più estesa dellaregione popolata dastelle

Idrogeno nelle Galassie

• Biano-nero: immagine ottica

• Blu : Immagine radio alla frequenza dell’idrogeno (21cm)

• dove si formano nuove stelle

• più estesa della regione popolata da stelle

NGC 6946

Le galassie interagiscono tra loro…

Immagine ottica del gruppo di M81

Osservazioni radio VLA (1994)

… e i loro scontri innescano la nascita di nuove stelle

NGC4038-4039-immagini VLA (riga 21 cm HI) e HST

Gruppo di galassie interagenti detto Antennae

Visibili molte regioni di formazione stellare, nubi di polveri

L’energia della radiosorgente è milioni di volte maggiore di quella equivalente alla massa del Sole

Cygnus A

Distanza: 800 Milioni a.l Estensione lobi 400.000 a.l

Le Radio Galassie:oggetti con energie “mostruose”

Sono tra le radiosorgenti più intense… sono tante

3C295 (Minkowski 1960)(molto più distante di CygA)

Centaurus A

Associata a galassia peculiare NGC 5128

A 15 M a.l.

VLA immagine radio di M87

Virgo A , associata alla galassia gigante ellittica M87

Fornax ADistanza: 100 M a.l.

Associata a galassia ellittica gigante NGC1316.

Radio lobi 600,000 a.l.

“Cannibalismo” galattico, NGC1316 sta risucchiando la piccola galassia in alto

Radio galassia 3C296 (NGC5532)

I radio lobi hanno un’estensione di circa 500,000 a.l.

3c296

La galassia ottica associata è sempre molto meno estesa.

Radio lobi estesi fino a milioni di anni luce

Centaurus A

Ma da dove viene tutta quest’energia???

Disco di accrescimento

La materia in caduta forma un disco che si riscalda

(raggi X, g, accelerazioni relativistiche radio)

Da un BUCO NERO al centro di ogni galassia

Masse fino ad un miliardo di masse solari

La materia accelerata si propaga nei Jet osservati

Tra i fenomeni più energetici dell’Universo

Fine???

…c’è ancora tanto da scoprire