Il cielo radio a colpo d’occhio

Uno scatto notturno di alcune delle antenne che compongono il radiotelescopio OV-LWA, con sullo sfondo il centro della nostra galassia. Crediti: Gregg Hallinan/Caltech

In California, presso l’Owens Valley Radio Observatory, è entrato in funzione un nuovo radiotelescopio formato da una schiera di 256 piccole antenne. Sviluppato da un consorzio guidato dal Caltech, l’Owens Valley Long Wavelength Array (OV-LWA) ha la capacità di riprendere in tempo reale tutta la volta celeste alle lunghezze d’onda radio lunghe (o basse frequenze, nella banda tra i 30 e gli 88 MHz, al limite della opacità atmosferica), permettendo ai ricercatori, fra l’altro, di scovare tutta una serie di fenomeni transienti, ovvero repentini cambiamenti della radiazione emessa.

Gli astronomi del consorzio OV-LWA – che, oltre al Caltech, vede riuniti JPL, Harvard University, Università del New Mexico, Virginia Tech e Naval Research Laboratory – confidano che il nuovo strumento porti nuove tessere per comporre un mosaico più completo delle fasi iniziali dell’universo. Ma anche per definire i contorni di una nuova disciplina, lo space weather extrasolare, che studia le interazioni tra le stelle e i pianeti che vi orbitano attorno.

Combinando la potenza osservativa di oltre 250 antenne distribuite in una vasta zona desertica, l’OV-LWA possiede una sensibilità unica per rilevare segnali radio variabili, come quelle prodotti dalle pulsar e da eruzioni solari, ma anche da aurore su pianeti lontani. Per ottenere la stessa sensibilità bisognerebbe costruire una singola antenna parabolica dal diametro di un centinaio di metri; tuttavia, un radiotelescopio di tali dimensioni avrebbe comunque un campo di vista estremamente limitato, e potrebbe vedere solo una piccola frazione di tutto il cielo.

«Il nostro nuovo radiotelescopio permette di vedere l’intero cielo tutto in una volta, ricavandone istantaneamente un’immagine», dice Gregg Hallinan, professore di astronomia al Caltech e responsabile scientifico di OV-LWA. «La tecnica da noi utilizzata ci consente il migliore compromesso tra due esigenze spesso inconciliabili: una buona sensibilità e un enorme campo di vista».

Un compromesso che ha il suo prezzo da pagare in termini di calcolo. Operando a piena velocità, infatti, il nuovo insieme di antenne produce qualcosa come 25 terabyte di dati ogni giorno, una mole enorme che deve essere macinata da un correlatore, che, in questo caso, ha un nome particolarmente altisonante: Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA). Situato in New Mexico vicino al radiotelescopio gemello LWA, il supercomputer LEDA utilizza moduli di calcolo, simili ai potenti processori grafici per personal computer, per combinare i segnali provenienti da tutte le antenne di OV-LWA in tempo reale. Questi segnali combinati vengono poi inviati a un secondo gruppo di computer, l’All-Sky Transient Monitor (ASTM) in California, che produce le immagini a tutto cielo in tempo reale.

«Uno degli obiettivi primari della nostra collaborazione è cercare di ottenere la prima misura statistica del debole segnale proveniente dalla nostra alba cosmica», spiega Hallinan, alludendo a quell’epoca primordiale in cui si cominciavano a formare le prime stelle, galassie e buchi neri, avvolti però in una nebbia d’idrogeno che cela in maniera quasi totalmente imperscrutabile ai telescopi quei primi vagiti. «La sfida più grande», confida Hallinan, «è rappresentata dal fatto che questa debole radiazione proveniente dall’universo primordiale è oscurata dall’emissione radio dalla nostra galassia, circa un milione di volte più luminosa del segnale stesso. Questo rende necessaria una misurazione particolarmente accurata per poterla rilevare».

Questi sistemi a “matrice sparsa” (sparse array) stanno non solo modificando l’aspetto degli osservatori radioastronomici dove vengono installati, che assomigliano sempre di più a coltivazioni di futuristici alberi di Natale, ma aprendo nuovi orizzonti per l’astrofisica. La loro diffusione relativamente recente è dovuta principalmente alla attuale disponibilità di sistemi hardware e software di calcolo sufficientemente potenti.

«Gli sparse array sono sistemi basati su antenne poco direttive e a larga banda, che permettono di cogliere istantaneamente un grande campo di vista», spiega a Media INAF Jader Monari, responsabile della Stazione Radioastronomica INAF di Medicina, presso Bologna. «La tecnica di sintesi elettronica del fascio, implementata su potenti sistemi digitali che acquisiscono contemporaneamente tutte le antenne, permette di individuare fenomeni transienti che possono essere identificati immediatamente, senza effettuare un puntamento meccanico delle antenne. Più antenne metto assieme e più riesco a ricevere segnali deboli, mentre più separo le antenne (o i gruppi di antenne) e più aumenta la risoluzione, ossia la capacità di distinguere due punti vicini».

A tutt’oggi di queste selve metalliche puntate  verso le profondità cosmiche se ne stanno progettando e costruendo diverse. Certamente la più grande e la più complessa sarà il Low-Frequency Aperture Array di SKA, un progetto a cui partecipa anche l’INAF che verrà costruito in Australia e, secondo le previsioni attuali, sarà inizialmente costituito da 125.000 antenne per la prossima fase 1, mentre nella seconda fase – più o meno tra un decennio – vedrà poste a dimora fino a un milione di antenne.

Nel frattempo gli scienziati e tecnologi italiani avranno il loro “boschetto” per allenarsi alla cattura delle più ineffabili basse frequenze radio. «La regione Sardegna ha finanziato a partire da quest’anno l’installazione di 128 antenne Vivaldi vicino al radiotelescopio SRT, sopra Cagliari. Questo prototipo, denominato Sardinia Array Demonstrator (SAD), permetterà alla comunità scientifica Italiana di addestrarsi nelle tecnologie e negli algoritmi in vista di SKA-Low», conclude Monari.

Fonte: Media INAF | Scritto da Stefano Parisini