Radiointerferometria conveniente

La radiointerferometria è la tecnica utilizzata dai radioastronomi professionisti per creare un singolo radiotelescopio di grandi dimensioni utilizzando molte antenne più piccole. La radiointerferometria consente ai radioastronomi di ottenere immagini con maggiore risoluzione angolare, ma fino ad ora questa tecnica è stata utilizzata solo in strumenti di ricerca molto costosi….

Oggi vi presentiamo la nostra prossima sfida, sviluppare il primo sistema conveniente di radiointerferometria con i nostri radiotelescopi SPIDER MarkII!

Radiointerferometria e risoluzione angolare

L’esplorazione dell’Universo mediante il rilevamento delle onde radio ha molti vantaggi, come la possibilità di farlo durante il giorno e in condizioni meteorologiche avverse. Tuttavia, poiché la risoluzione angolare di un telescopio è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda, un radiotelescopio ha una risoluzione angolare molto più bassa rispetto a un telescopio ottico. Ad esempio, la risoluzione angolare viene calcolata con questa formula:

θ = 2.5 x 10⁵ * (λ/D)

dove θ è in arcsecondi e λ (lunghezza d’onda) e D (diametro del telescopio) sono in metri.

Considerando un telescopio ottico con 50cm di diametro (0.5m) e un valore medio di λ di 550nm (5,5×10-7 m), la risoluzione angolare teorica è:

θ = 2.5 x 10⁵ * (5.5×10^-7 / 0,5) = 0.275 arcsecondi

Se vogliamo avere la stessa risoluzione angolare con un radiotelescopio che registra una lunghezza d’onda di 21 cm, dovremo risolvere questa equazione:

0.275 arcsecondi = 2.5 x 10⁵ * (0.21 m /D)

E questo ci porta ad un diametro di 190909 metri. Ciò significa che, affinché un radiotelescopio abbia la stessa risoluzione angolare di un telescopio ottico da 50 cm, l’antenna avrebbe un diametro di 191 km, troppo grande per essere costruita! Ma usando la tecnica della radiointerferometria possiamo effettivamente creare un singolo telescopio grande quanto la distanza tra i due radiotelescopi più lontani che compongono l’array.

Radiointerferometria conveniente con i radiotelescopi compatti

Molti radiotelescopi sono progettati come una serie di antenne compatte anziché come un unico enorme strumento. Esempi sono i nuovi Atacama Large Millimeter Array in Cile che è composto da molte antenne da 7 e 12 metri di diametro e il Very Large Array nel New Mexico (USA) che utilizza 27 antenne da 25 metri di diametro. I radiotelescopi SPIDER utilizzano antenne più piccole, con diametri che vanno dai 2,3 ai 5 metri, e questo è uno dei motivi che li rende accessibili e alla portata anche di un budget scolastico, universitario o di un museo.

Se vuoi avere un’antenna più grande di quella da 5 metri usata nello SPIDER 500A, il costo del radiotelescopio aumenterebbe molto, soprattutto a causa dell’enorme montatura che sarebbe necessaria non solo per spostare in maniera molto precisa antenna (la precisione dei movimenti è fondamentale in radioastronomia), ma anche per far funzionare lo strumento anche in condizioni di vento, come i radiotelescopi SPIDER più compatti. Quando abbiamo studiato la possibilità di sviluppare una versione più grande del radiotelescopio SPIDER 500A, abbiamo compreso che il costo di produzione di un modello da 8 metri sarebbe superiore a 3 radiotelescopi SPIDER 500A: la radiointerferometria è la soluzione.

Quando abbiamo sviluppato la linea di radiotelescopi SPIDER, abbiamo lanciato sul mercato la prima linea di radiotelescopi professionali ma compatti sviluppati completamente per la radioastronomia. Ora vogliamo estendere questo sviluppo nella radiointerferometria con completi array di radiotelescopi SPIDER MarkII che vi consentono di fare interferometria radio con sistemi pronti all’uso.Dall’inizio di questa sfida, abbiamo già completato lo sviluppo di questi dispositivi:

• Sviluppo di un dispositivo Radio-over-Fiber che, sostituendo i cavi RF standard, massimizza il segnale dalle antenne SPIDER MarkII, permettendo di inviare dati su distanze medie/lunghe tra l’LNA e il ricevitore.
• Sviluppo di un dispositivo Mount-over-Fiber che, collegando l’antenna alla sala di controllo remoto tramite un cavo in fibra ottica, consente il controllo remoto dei radiotelescopi SPIDER MarkII da distanze molto lunghe, fino a 2 km.

Ora stiamo sviluppando i prossimi dispositivi necessari affinché i radiotelescopi SPIDER MarkII possano essere utilizzati per l’interferometria:

1. Sviluppo di un nuovo backend per i radiotelescopi SPIDER MarkII, basato su una FPGA ad alte prestazioni che supporterà varie applicazioni: oltre a eseguire acquisizioni in time-domain ad alto tasso di dati per applicazioni di interferometria e rilevamento di pulsar, servirà anche come spettrometro ad alta risoluzione e per misurazioni di total power in modalità single dish. Consentirà l’applicazione di tecniche di mitigazione RFI o filtraggio dei sotto-canali per ottimizzare le prestazioni e sarà dotato di sistemi per la sincronizzazione dei segnali tramite PPS e clock esterno.
2. Applicazione di un correlatore software per l’interferometria con i radiotelescopi SPIDER MarkII: abbiamo optato per un correlatore software anziché hardware per aumentare la flessibilità e ridurre i costi. Il nostro obiettivo è garantire che i segnali acquisiti dai nostri backend digitali siano compatibili con i correlatori software professionali già utilizzati nella ricerca. Questo ci permetterà di eseguire interferometria con i radiotelescopi SPIDER MarkII in modo simile, ma più semplice e conveniente, rispetto ai grandi radiotelescopi professionali.

Gli sviluppi sopra descritti sono sforzi di ricerca e sviluppo e, pertanto, al momento non abbiamo una data di rilascio precisa. Tuttavia, PrimaLuceLab sta sviluppando attivamente i dispositivi descritti sopra e li renderà disponibili una volta che soddisferanno i nostri standard di prestazione.

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