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29 Marzo 2009 Corrado Trigilio
L’Universo invisibile della
RadioastronomiaLe onde radioGli iniziI radiotelescopi L’universo radio
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La Radioastronomia non e`...
…”ascoltare” i dati radio!
…ma “osservare” ed interpretare i dati radio
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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
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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
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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
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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…
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Finestra radio
largo intervallo di l (n)
da l ~ 0.33 mm a ~ 20 m!
(n = 1300 GHz ~ 15 MHz )
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La nascita della radioastronomia
1901 Guglielmo Marconi:
Prime comunicazioni transatlantiche a bassa frequenza
… ma prima ancora…
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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…
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Trasmissioni ad alta frequenza (20-30 MHz) rumorose
Perché??? Karl Jansky (AT&T Bell Labs )
“ascolto sistematico” con antenna “direttiva” a 22 MHz
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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)
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5 maggio 1933
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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”
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In luce “normale”, nel visibile,…
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...non vediamo il centro della Galassia…
…che nel Radio è stata la prima sorgente osservata!
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...non vediamo il centro della Galassia…
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Il centro della Galassia
Visibile
“Tante” stelle
Ammassi stellari
Nebulose
Nubi interstellari
Centro nascosto
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Il centro della Galassia
Infrarosso
Nebulose
Nubi interstellari
Polveri in emissione
Centro visibile
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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
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Sagittarius A
Sgr A*
Grande dinamica
Strutture a filamenti
Campi magnetici
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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
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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).
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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 )
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L’onda radio viene convertita in segnale elettrico
Il segnale viene poi analizzato
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Grandi Radiotelescopi nel mondo
Jodrell Bank(Manchester)
75 m
Grandi Radiotelescopi nel mondo
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Grandi Radiotelescopi nel mondo
Parkes(Australia)
64 m
Grandi Radiotelescopi nel mondo
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Effelsberg(Bonn)100 m
Grandi Radiotelescopi nel mondo
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Arecibo(Portorico)
300 m
Grandi Radiotelescopi nel mondo
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un radiotelescopio di 32 m di diametro vede…
Se osserviamo una sorgente “puntiforme”
sottende un angolo
~l /d
Il potere risolutivo
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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
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Ma anche con i più grandi radiotelescopi non abbiamo
grandi poteri risolutivi
Come facciamo a sapere da quale astro proviene la
radiazione ???
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Perchè non ne costruiamo uno enorme, “finto”, fatto da tanti altri piccoli radiotelescopi???
IDEA!!!(da premio Nobel)
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Nasce l’Interferometria
Grazie al fatto che la radiofrequenza è facilmente “maneggiabile”
Potere Risolutivo ~ l/d
(d = distanza antenne)
d
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Westerbork (Olanda)14 antenne di 25 m
Dmax ~ 3 km
1” a 20 cm
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ATCA (Australia)6 antenne di 22 m
Dmax ~ 6 km
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Very Large Array (New Mexico)27 antenne di 25 m
Dmax ~ 30 km
1” a 20 cm
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Very Long Baseline InterferometryVLBI Network europeo
18 Radiotelescopi
risoluzione: 1 millesimo di secondo d’arco
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Very Long Baseline InterferometryVLBI Network europeo
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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
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Very Long Baseline Array (VLBA)
Dal 1993
10 antenne da
25-m negli USA
Correlatore a Socorro (NM)
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L’ INTERFEROMETRO A LUNGHISSIMA BASE
Global VLBI
Un radio telescopio grande come la Terra!
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La Radioastronomia in Italia
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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
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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
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SARDINIA RADIO TELESCOPES. Basilio (Cagliari)
64 m300 MHz – 100 GHz
Foto aerea del 2003
Foto aerea del 2007
Foto aerea del 2008
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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!
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Dove nascono le stelle…L483 Nube molecolare
Infrarosso (1.2 microns) Radio: molecola CO
Vediamo dentro le nubi di polveri
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…con i loro sistemi planetari
Nebulosa di Orione
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Resto di Supernovaesplosa 300 anni fa
Ma la radioastronomia ci rende testimoni sia della nascita che della morte violenta delle stelle
Cassiopeia A
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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
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Supernovae in altre galassie
SN 1993J in M81 Observazioni VLBI dal17 Mag 1993 al 25 Feb2000
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Andiamo a vedere le altre galassie “normali”
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Idrogeno nelle Galassie
M51• Biano-nero: immagine
ottica
• Blu : Immagine radio alla frequenzadell’idrogeno (21cm)
• dove si formanonuove stelle
• più estesa dellaregione popolata dastelle
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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
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Le galassie interagiscono tra loro…
Immagine ottica del gruppo di M81
Osservazioni radio VLA (1994)
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… 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
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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”
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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.
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VLA immagine radio di M87
Virgo A , associata alla galassia gigante ellittica M87
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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
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Radio galassia 3C296 (NGC5532)
I radio lobi hanno un’estensione di circa 500,000 a.l.
3c296
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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???
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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
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Tra i fenomeni più energetici dell’Universo
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Fine???
…c’è ancora tanto da scoprire