AstroPulse Scienza
Titolo originale: "About Astropulse"
Traduzione in italiano di Laura Morandi & Bruno Moretti Turri IK2WQA
Pubblicazione a cura di SETI ITALIA G. Cocconi
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Basi di AstroPulse
Astropulse è un nuovo tipo di radio ricerca di intelligenza extraterrestre. Si affianca al SETI@home originale, ma non lo sostituisce. Il SETI@home originale è a banda stretta, come dire che sta ascoltando una particolare frequenza radio. Ciò è simile all'ascoltare un'orchestra e tentare di sentire quando qualcuno suona la nota "LA diesis". Astropulse ascolta impulsi ultrabrevi. Nell'analogia dell'orchestra è come ascoltare un rapido battito di tamburo o una serie di battiti. Siccome nessuno sa "come suonano" le comunicazioni degli extraterrestri, sembra una buona idea cercare molti tipi di segnali.
In termini scientifici, Astropulse è un'indagine del cielo che cerca radio impulsi transienti da microsecondo.
Questi impulsi potrebbero venire da ET o da altra fonte.
Definiamo ognuno di questi termini:
* Indagine del cielo: Il radiotelescopio che noi usiamo (Osservatorio di Arecibo) analizza il cielo cercando segnali dappertutto. Questo differisce da un SETI diretto (targeted) in cui il radiotelescopio esamina attentamente alcune stelle.
* Microsecondo: un milionesimo di secondo. Astropulse è più sensibile di tutte le ricerche precedenti nello scoprire segnali ultrabrevi. Il segnale più breve rilevato da Astropulse ha un limite inferiore a 0,4 microsecondi.
Astropulse può scoprire segnali più brevi di 0,4 microsecondi.
* Transiente: Un segnale è transiente se è corto, come un battito di tamburo.
Un segnale transiente può essere ripetuto (una serie di battiti) o un singolo impulso (un solo "battito di tamburo").
* Radio: I segnali sono fatti dello stesso tipo di radiazione elettromagnetica delle radio AM o FM.
Un impulso scoperto
Gli astronomi Duncan Lorimer & Matthew Bailes hanno già scoperto un impulso radio transiente da un millisecondo (un millesimo di secondo) si ritiene proveniente da 500 megaparsec. E' più di un miliardo di anni luce! (1,63 per la precisione). In quella direzione noi non vediamo la galassia da cui arrivò l'impulso, se ce n'è una. Nessuno sa ciò che produsse l'impulso... era un'intelligenza extraterrestre? Un buco nero che è esploso? Spiraleggianti stelle di neutroni?
Ecco un ritratto dell'impulso:
In questo grafico, l'asse x è il tempo e l'asse y è la frequenza. Questo grafico mostra che la frequenza dell'impulso è decresciuta col tempo che è precisamente quello che noi ci aspetteremmo da un impulso disperso.
Fonti di impulsi
Un radio impulso transiente da microsecondo da dove può venire?
Ci sono diverse possibilità:
* ET: Ricerche precedenti hanno cercato comunicazioni extraterrestri nella forma di segnali a banda stretta, analoghi alle nostre stazioni radio. Ma dato che noi non sappiamo niente circa come è probabile che ET comunichi, è probabile che questo sia limitante.
* Pulsar e RRAT: La pulsar è una rotante stella di neutroni che può produrre segnali corti tipo 100 microsecondi, anche se tipicamente è molto più alto. 0,4 microsecondi sembrano un po' tirati. Astropulse è capace di rivelare pulsar, ma è improbabile che ne trovi qualcuna nuova. La RRAT (Rotating RAdio Transient) è una variante di pulsar recentemente scoperta. Forse Astropulse scoprirà un nuovo tipo di stella di neutroni con un ciclo molto corto.
* Buchi neri primordiali che esplodono: Martin Rees ha formulato una teoria secondo la quale è probabile che un buco nero, esplodente via radiazione di Hawking produca un segnale rilevabile in radio.
Clicca qui per approfondire su AstroPulse e i buchi neri.
* Impulsi extragalattici: Alcuni scienziati hanno visto recentemente un impulso radio transiente da fuori della Via Lattea. Nessuno sa che cosa lo ha provocato, ma forse ci vuole Astropulse per scoprirlo.
* Nuovi fenomeni: Forse il risultato più probabile è che noi scopriremo qualche fenomeno astrofisico ignoto.
Ogni volta che un astronomo guarda il cielo in un modo nuovo può vedere un fenomeno nuovo.
Impulsi dispersi
Un impulso radio transiente da microsecondo nell'arrivare a noi da una fonte distante nello spazio, passa attraverso il mezzo interstellare (ISM, InterStellar Medium). L'ISM è un gas di atomi di idrogeno che pervadono la galassia intera. C'è una grande differenza tra l'ISM e il gas idrogeno ordinario. Alcuni degli atomi di idrogeno nell'ISM sono ionizzati, cioè hanno perso un elettrone. Per ogni atomo di idrogeno ionizzato nell'ISM, c'è un elettrone libero che sta fluttuando in qualche luogo vicino. Una sostanza composta di particelle ionizzate che fluttuano liberamente è chiamata plasma.
L'impulso radio da microsecondo è composto da molte frequenze diverse. Quando l'impulso passa attraverso il plasma dell'ISM, la radiazione di frequenza alta va lievemente più veloce della radiazione di frequenza più bassa. Quando l'impulso arriva alla Terra, noi vediamo parti del segnale variare da 1.418,75 MHz a 1.421,25 MHz. Questa è un range di 2,5 MHz. La radiazione di frequenza più alta arriva approssimativamente da 0,4 millisecondi a 4 millisecondi prima della radiazione di frequenza più bassa, dipendendo dalla distanza dalla quale si origina il segnale. Questo effetto è stato chiamato dispersione.
Clicca qui per vedere come impulsi dispersi e non dispersi possono essere composti di molte frequenze diverse.
Per vedere la vera forma del segnale noi dobbiamo sopprimere questa dispersione.
Ovvero, noi dobbiamo dedisperdere il segnale. La dedispersione è lo scopo primario dell'algoritmo di Astropulse.
Non solo la dedispersione ci permette di vedere la vera forma del segnale, ma riduce anche l'ammontare del noise (rumore) che interferisce con la visibilità del segnale. Il rumore consiste di fluttuazioni che producono dei segnali falsi. Per esempio ci potrebbe essere un rumore elettrico nel radiotelescopio che crea l'illusione di un segnale dove non c'è nessuno. Poichè la dispersione sparge un segnale 10.000 volte quanto è lungo, questo può far apparire 10.000 volte più rumore col segnale. (C'è un fattore di radice quadrata a causa della matematica, così ci sono veramente solo 100 volte più rumore, ma questo è ancora molto.)
L'ammontare della dispersione dipende dall'ammontare del plasma di ISM tra la Terra e la fonte dell'impulso.
La misura di dispersione (DM, Dispersion Measure) ci dice quanto plasma c'è. DM è misurato in "parsec per centimetro cubo" che è scritto pc cm-3. Per ottenere il DM, moltiplica la distanza dalla fonte del segnale (in parsec) per la densità elettronica in elettroni per centimetro cubo. Un parsec è approssimativamente 3,26 anni luce. Quindi se una fonte è lontana 2 parsec, e lo spazio tra la Terra e quella fonte è riempito di plasma con 3 elettroni liberi per centimetro cubo il risultato è 6 pc cm-3. La densità attuale di elettroni liberi nell'ISM è approssimativamente 0,03 per centimetro cubo.
Algoritmo di Astropulse
Astropulse deve analizzare l'intera unità di lavoro (workunit) a quasi 15.000 DM diversi (14.208 per la precisione).
Ad ogni DM, l'intero algoritmo di dedispersione deve essere elaborato di nuovo per l'intera workunit.
Il più basso DM è 55 pc cm-3, ed il più alto è 800 pc cm-3. Astropulse esamina DM ad intervalli regolari tra questi due limiti. Senza andare in dettaglio circa come esaminare un pezzo di una workunit ad un determinato DM, ecco come Astropulse si occupa dei dati: divide il DM in grandi pezzi di DM da 128 DM ognuno, e poi in piccoli pezzi di DM da 16 DM ognuno. Divide i dati in pezzi di 4.096 bytes, e li elabora uno alla volta. Una volta che ha dedisperso i dati, Astropulse co-aggiunge i dati di dedispersione a 10 livelli diversi, ciò significa che guarda segnali di taglia da 0,4 microsecondi, poi il doppio, poi il quadruplo e così via (0,4 microsecondi - 0,8 - 1,6 - 3,2 - 6,4 - ...). Sul livello più basso di dettaglio, astropulse guarda a bin individuali di dati. Un bin corrisponde a 2 pezzi dei dati originali, ma dopo la dedispersione, costringe un numero a virgola mobile (floating point number) a rappresentarlo.
Ecco la composizione di Astropulse:
1 workunit ≥ 111 grandi pezzi di DM
1 grande pezzo di DM ≥ 8 piccoli pezzi di DM
1 piccolo pezzo di DM ≥ 2.048 pezzi di dati
1 pezzo di dati ≥ 16 DM
1 DM ≥ 10 livelli di fold
1 livello di fold ≥ 16.384 bin
1 bin = la più piccola unità
Quindi ogni workunit è composta da 111 grandi pezzi di DM ognuno dei quali è lo 0,901% dell'intero. Ciascun grande pezzo di DM è composto da 8 piccoli pezzi di DM ognuno dei quali è lo 0,113% dell'intero. E così via.
Il numero di grandi pezzi di DM probabilmente cambierà prima che sia rilasciata la versione finale di Astropulse.
FFA, Fast Folding Algorithm, algoritmo piegamento veloce
Alla fine di ciascuno piccolo e grande pezzo di DM, Astropulse compie il Fast Folding Algorithm. Questo algoritmo cerca degli impulsi ripetuti per una certa serie di periodi. (Il periodo è la lunghezza del tempo dopo che l'impulso è ripetuto.) Quando il Fast Folding Algorithm è compiuto dopo ciascuno grande pezzo di DM, egli cerca sugli interi 13 secondi della workunit, e cerca segnali che si ripetono con un periodo di 256 volte il rateo di riferimento (256 * 0,4 microsecondi) o più. Quando il FFA è compiuto dopo ciascun piccolo pezzo di DM, cerca su una piccola frazione della workunit, e cerca segnali che si ripetono con un periodo di 16 volte il rateo di riferimento o più.
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