Scritto: Sabato, 18 Gennaio 2020 15:41 Ultima modifica: Domenica, 19 Gennaio 2020 14:17

Il miglior radio-cielo sul MeerKAT


Il radiointerferometro sudafricano ha registrato una sconvolgente  immagine "profonda" del cielo nelle onde radio, con centinaia di migliaia di radiogalassie dotate di nuclei attivi o di regioni con intensa attività di formazione stellare, la cosiddetta "alba cosmica".

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Nel fotomontaggio, alcune antenne del radiointerferometro MERKAAT in primo piano e, sullo sfondo, una porzione del campo DEEP-2 da esso ripreso Nel fotomontaggio, alcune antenne del radiointerferometro MERKAAT in primo piano e, sullo sfondo, una porzione del campo DEEP-2 da esso ripreso Credits: Credit: SARAO; NRAO/AUI/NSF - Processing: Marco Di Lorenzo

 Immaginiamo di avere un telescopio a largo campo, capace di inquadrare un'area di cielo pari a una dozzina di Lune piene, una risoluzione migliore di 8 secondi d'arco e una elevata sensibilità, tanto da rivelare galassie estremamente remote e quindi "primordiali"; si tratterebbe già di un risultato notevole, ottenibile solo un grande telescopio a largo campo, come il costruendo LSST. Adesso immaginiamo che questo strumento, invece di fare tutto questo nella regione visibile dello spettro elettromagnetico, riesca a ottenerlo nella regione delle onde radio, con una lunghezza d'onda centrata intorno a 23 cm. E' esattamente questo l'eccezionale risultato ottenuto dalle 64 antenne del radiointerferometro MeerKAT, situato nel Sud Africa a circa 90 km da Carnarvon.

2018 MeerKAT 3

Panoramica diurna di MeerKAT - SKA South Africa

 Le enormi potenzialità di questo strumento erano già risultate evidenti oltre 3 anni fa, quando era ancora in costruzione: utilizzando solo 16 antenne operative, si ottenne una mappa di una porzione di cielo contenente ben 1300 galassie, il 95% delle quali erano sconosciute prima di allora! Adesso che l'interferometro è completo ed è stato anche ufficialmente inaugurato, gli articoli e le conseguenti scoperte ottenute con esso si stanno moltiplicando. Peraltro, nell'immagine sottostante, si vede sullo sfondo la spettacolare panoramica del centro galattico che pubblicizzammo 18 mesi fa.

2018 MeerKAT

La cerimonia ufficiale di inaugurazione di MeerKAT nel 2018. Si noti che, tra le autorità presenti, non c'è nessuno di pelle bianca... segno che i tempi sono decisamente cambiati, anche in SudAfrica! - Credits: SKA South Africa / NRF / SARAO

 La nuova "immagine" profonda di cui stiamo parlando è stata pubblicata e discussa in un articolo uscito un mese fa su ArXiv. Essa è stata realizzata partendo da osservazioni condotte in 12 diverse sessioni, tra Aprile 2018 e Gennaio 2019, per un totale di 155 ore; per garantire una elevata sensibilità e una risoluzione ottimale, in ogni sessione erano in funzione almeno 58 delle 64 antenne e almeno 7 di esse dovevano trovarsi nell'anello più esterno dell'interferometro, quello posto a 1÷4 km dal centro. 

 La regione di cielo prescelta è lontana dal piano galattico e da qualsiasi radiosorgente intensa, in modo da non arrecare fastidiose interferenze nelle antenne ed ottenere un basso rumore di fondo; di fatto, è una porzione della costellazione "Mensa", approssimativamente a metà strada tra il polo sud celeste e la grande Nube di Magellano. La frequenza di osservazione è la cosiddetta "banda L", che va da 856 e 1712 MHz; questa banda è suddivisa in 4096 canali, successivamente sommati per formare 14 immagini a "banda larga". Questa scelta permette di assecondare lo spostamento verso il rosso della riga dell'idrogeno neutro (1,42 GHz), dovuto alla recessione cosmologica nelle sorgenti lontane. Ne risulta un volume di dati raccolti di circa 25 TB, cui vanno aggiunte le informazioni relative all'importante attività di calibrazione del segnale.

 Una volta elaborata questa mole di informazioni, l'immagine risultante "a larga banda" ha una risoluzione media di 7,6 secondi d'arco ed è ampia quasi 2°, con una moderata perdita di sensibilità ai bordi (vignettatura); il "campo di vista" è dato dalla larghezza del fascio ricevuto da ciascun elemento dell'interferometro e corrisponde alla risoluzione ottenibile da una singola antenna di 13,5 metri che lavori alla frequenza più alta della banda utilizzata, per effetto delle leggi di diffrazione. La elevata risoluzione dell'immagine finale, invece, si riferisce alla larghezza di un profilo gaussiano1 applicato per "convoluzione" ad ogni sorgente elementare che viene fuori dopo l'operazione a valle della correlazione; quest'ultima è una operazione matematica effettuata sui segnali prodotti dalle 2016 possibili coppie di antenne, facendoli interferire in maniera "virtuale" all'interno di un potente computer. In pratica, questo processo di ricostruzione ha prodotto una immagine ad alta dinamica ed elevatissima risoluzione, equivalente a circa 100 milioni di pixel; di seguito ne mostriamo l'aspetto con diverse codifiche e vari ingrandimenti.

DEEP2heat cropped 1e

L'intero campo DEEP2 in versione monocromatica;  l'effetto di vignettatura (oscuramento al bordo) è stato attenuato. Il quadrato rosso è la porzione ingrandita di seguito - Credits: SKA South Africa / NRF / SARAO - Processing: Marco Di Lorenzo

DEEP2 1degsq neg

La parte centrale del DEEP-2, con 1° di lato; il quadrato tratteggiato più grande è la regione centrale nella quale sono stati effettuati i conteggi statistici delle sorgenti mentre il quadrato rosso  al suo interno è la porzione che viene mostrata ingrandita più sotto - Credits: Mauch et al./ SKA South Africa / NRF / SARAO - Processing: Marco Di Lorenzo

DEEP2 1degsq col

Come sopra ma in falsi colori anziché in scala monocromatica - Credits: Mauch et al./ SKA South Africa / NRF / SARAO - Processing/remapping: Marco Di Lorenzo

DEEP2 5min both

Ingrandimento della porzione centrale (5' d'arco di lato) in entrambe le versioni B/N e falsi colori  -Credits: Mauch et al./ SKA South Africa / NRF / SARAO -Prcessing/remapping: Marco Di Lorenzo

 Le prime immagini a largo campo mostrano che la maggior parte delle sorgenti sono puntiformi, ma alcune si estendono anche oltre 1 primo d'arco e presentano la caratteristica forma "bi-lobata", tipica delle radiogalassie che emettono jet relativistici dalle loro zone centrali, in direzioni opposte; in un caso (in alto a sinistra nella prima immagine) questi getti si piegano perché, evidentemente, la galassia che li origina si muove all'interno di un mezzo intergalattico più denso, presumibilmente al centro di un ammasso ricco. La coppia finale di immagini ingrandisce una piccola porzione centrale e mostra quanto alta sia la densità di oggetti deboli; in effetti, l'intera immagine DEEP-2 contiene qualcosa come 250000 sorgenti con potenza superiore a 7 µJ2 .

 A questo punto, gli autori dell'articolo hanno censito questa popolazione di sorgenti deboli (tra 10 µJy e 2.5 mJy), molte delle quali mai osservate in precedenza. Essi hanno considerato la parte centrale dell'immagine (quella meno rumorosa), di circa 21' di lato; è risultato che la popolazione al di sotto di 100 mJy si avvicina ad una semplice legge di distribuzione esponenziale, in cui il numero di oggetti cresce all'incirca con l'inverso del quadrato della luminosità. C'è buon accordo con le precedenti indagini, condotte anche nel lontano infrarosso e di cui viene esteso l'intervallo di validità (primo grafico qui sotto). Le aree colorate mostrano una estrapolazione dei dati osservati verso intensità ancora più basse; queste sorgenti non sono state chiaramente osservate ma si può ricavare un limite inferiore e uno superiore alla loro densità, sulla base del "rumore di fondo" osservato.

DEEP2 population

  Numero di sorgenti per unità di angolo solido in funzione della loro luminosità S, secondo due diverse scale logaritmiche. - Credits: Mauch et al./ SKA South Africa / NRF / SARAO -Prcessing: Marco Di Lorenzo

 Il secondo grafico, che rappresenta le stesse distribuzioni con un differente "fattore di normalizzazione", riporta anche le curve teoriche attese sulla base di due diverse tipologie di sorgenti: le galassie con nuclei attivi (curva rossa) e quelle con elevato tasso di formazione stellare (curva blu); in pratica, nel primo caso abbiamo a che fare con buchi neri supermassicci in cui il disco di accrescimento e i getti relativistici emettono grandi quantità di energia termica e di sincrotrone, nel secondo casa si tratta di sorgenti più deboli e primordiali (da 8 a 11 miliardi di anni luce) che emettono onde radio di sincrotrone dai residui di supernove, numerose a causa del gran numero di stelle massicce che nascono al loro interno. La somma di queste due tipologie (curva nera) spiega bene l'andamento osservato ai due estremi di luminosità, mentre per intensità intermedie (tra 10 e 300 µJy) viene confermato un eccesso di sorgenti rispetto a quanto atteso dal modello. La discrepanza attende una spiegazione e sembra suggerire l'esistenza di una terza tipologia di oggetti intermedi, ancora da individuare.

 MeerKAT, come molti altri prototipi in costruzione sia in Sud Africa che in Australia, farà da battistrada al mastodontico radiointerferometro planetario SKA, di cui farà parte come porzione della componente a media frequenza. Dunque questo è solo un altro assaggio della impressionante risoluzione, sensibilità e ampiezza di campo che si riusciranno ad ottenere con questo rivoluzionario strumento.

2018 MeerKAT 2 1030x574

 Suggestiva immagine notturna di MeerKAT - SKA South Africa

 

Note a piè pagina:

1) Si tratta del valore FWHM (Full Width at Half Maximum), ovvero larghezza totale a metà dell'altezza del picco; viene spesso utilizzato per indicare la risoluzione di una immagine di sintesi o di uno spettro.

2) Il Jansky è l'unità di misura di flusso di una sorgente usata in radioastronomia: esprime la potenza ricevuta per unità di superficie e di frequenza e corrisponde a 10-26 W·m-2·Hz-1; di conseguenza, 1 mJy=10-29 W·m-2·Hz-1 mentre 1 μJ=10-32 W·m-2·Hz-1

Riferimenti:

https://www.sarao.ac.za/gallery/meerkat/ 

https://www.sarao.ac.za/media-releases/south-africas-meerkat-peers-deep-into-the-universe/

https://aliveuniverse.today/rubriche/approfondimenti/3216-una-skatenata-potenza-di-calcolo

 

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Read 298 times Ultima modifica Domenica, 19 Gennaio 2020 14:17
Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

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