Come si ottiene una immagine radio?

Aggiornato il 21 Luglio 2021

Descrizione breve

Una attività  laboratoriale per capire come vengono costruite le immagini astronomiche in falsi colori e con le linee di livello- nelle onde radio in particolare, ma anche in altre frequenze – e il significato della loro rappresentazione grafica.

Obiettivi

• Capire la tecnica di acquisizione delle immagini nelle frequenze radio
• Capire il significato e l’utilizzo dei falsi colori in radio astronomia (e nell’astronomia delle frequenze invisibili in generale)
• Capire il significato e l’utilizzo delle curve di livello in radio astronomia (e nell’astronomia delle frequenze invisibili in generale)
• Competenza digitale, per la trasformazione della mappa in codice di pixel art (elementari e medie)
• “Imparare a imparare, competenza metacognitiva
• Competenza comunicativa, per esprimere le proprie opinioni in modo conciso e pertinente

Materiali

• Una stampa A4 delle mappe m1a e m1b (prima immagine del buco nero super massiccio in M87; galassia a spirale M77) allegata per ciascuno degli studenti
• Una stampa A4 delle mappe m2a e m2b (Mappa del resto di supernova Cygnus Loop; Mappa della nube molecolare G351.776-0.527)
• Matite colorate o pennarelli di colori diversi

Informazioni preliminari

Le onde radio

Lo spettro elettromagnetico è l’insieme di tutti i possibili tipi di luce esistenti in natura. La luce è un’onda elettromagnetica, caratterizzata da uno specifico valore della frequenza e, direttamente collegata ad esso, da un determinato valore dell’energia associata: diversi tipi di luce avranno diverse frequenze (e quindi diverse energie). La luce visibile, quella a cui sono sensibili i nostri occhi, rappresenta solo una piccolissima parte dello spetro elettromagnetico; tutti gli altri tipi di luce sono invisibili ai nostri occhi. In particolare, le onde radio sono un tipo di luce invisibile ai nostri occhi, caratterizzato da bassa energia.
Praticamente ogni oggetto cosmico emette onde radio e gli strumenti che usiamo per raccogliere e registrare questo tipo di luce si chiamano radiotelescopi. Con un radio telescopio è possibile registrare il segnale radio emesso da una sorgente, ma anche ottenere delle immagini, l’equivalente delle immagini nella luce visibile, ma realizzato con le onde radio. Ma come è possibile fare una immagine con luce non visibile?
Gli astronomi le chiamano mappe, perchè la tecnica che si usa per ottenere è proprio quella di “mappare ” una regione e ricavare una griglia di punti osservati. La tecnica per creare un’immagine radio consiste dunque nel creare una specie di griglia di singoli puntamenti: l’antenna viene puntata in una posizione in cielo e viene acquisito il segnale radio, poi l’antenna viene spostata in una posizione vicina, dove viene nuovamente acquisito il segnale. E così via, seguendo la griglia che copre la regione di cielo da mappare. Si avrà  così alla fine una mappa di tante acquisizioni vicine spazialmente, come se fossero dei pixel di una immagine fotografica (fig. 1). La spaziatura tra un punto e quello successivo dipende dal telescopio e dalla frequenza di osservazione: per semplificare, possiamo immaginare che ogni puntamento possa essere assimilato ad un cerchio di determinato raggio. Per aumentare la copertura in cielo, i puntamenti possono essere anche parzialmente sovrapposti (fig. 2).

Il segnale acquisito viene quindi elaborato per derivare l’informazione fisica, che può essere l’intensità  del segnale, ma anche altre grandezze fisiche (per esempio dall’intensità  del segnale si può ricavare la temperatura della regione di cielo mappata, o la sua densità , o ancora l’abbondanza di una specie chimica). Ad ogni punto della mappa, dunque, verrà  associato il valore numerico dell’informazione.
Tutti questi valori possono essere visualizzati dai software astronomici usando una serie di colori basata su una scala arbitraria, decisa dall’osservatore. Per decidere la scala, in genere si calcola il valore massimo della grandezza fisica ottenuto dalle osservazioni e lo si suddivide in un certo numero di intervalli, assegnando ad ogni intervallo un colore preciso.
Si crea, dunque, un’immagine colorata, dove tutti i punti il cui valore è compreso nello stesso intervallo, hanno uno stesso colore e ogni colore ha un preciso significato fisico. Insomma, una specie di pixel art con i dati radio!

Nel seguito, impareremo il procedimento di costruzione di una mappa radio e una possibile tecnica di visualizzazione dei dati. Molte delle considerazioni fatte per le mappe radio sono valide anche per altri tipi di luce invisibile dello spettro elettromagnetico.

Descrizione completa

Proponiamo di seguito due attività , una sulle mappe in falsi colori, l’altra sulle mappe con le linee di livello. Potete svolgerle entrambe o scegliere quella che preferite.

Attività  1: Mappe in falsi colori

Fase 1: Introduzione

Dopo una breve introduzione generale ai vari tipi di luce, alle onde radio e al principio di funzionamento dei radio telescopi, usando le indicazioni riportate sopra e facendo vedere i video suggeriti, si introduce il concetto di immagine radio.

Fase 2: Attività  sulle mappe in falsi colori

Ad ogni studente si consegna una stampa A4 delle mappe allegate: i ragazzi potranno sceglierne una a loro piacimento, o la scelta potrà  essere fatta dall’insegnante.
A lato della mappa è indicata una tabella che associa ad ogni numero un colore definito.
Ad ogni studente si chiede dunque di colorare ogni quadretto della scheda con il pennarello (o la matita) di colore corrispondente al numero indicato nella tabellina accanto all’immagine.

Mappa 1. La prima immagine di un buco nero: il buco nero super massiccio al centro della Galassia M87. (immagine realizzata dall’Event Horizon Telescope – una collaborazione internazionale di otto radiotelescopi dislocati su tutta la Terra. Come riferimento scientifico si veda questa pagina).

Mappa 2. Mappa radio della distribuzione di diverse molecole nella galassia M77 (immagine realizzata dall’ALMA telescope. Come eventuale riferimento scientifico si veda questa pagina).

Fase 3: Discussione

Cosa viene fuori? L’immagine fa venire in mente qualche tipo di sorgente fisica nota? Dopo un primo giro di ipotesi da parte dei ragazzi, spiegare cosa si sta osservando e quali informazioni possiamo ricavare dall’immagine.

Possibile approfondimento sul coding

Sfidate i ragazzi a trasformare l’immagine in un codice pixel art. Il risultato sarà  un file analogo a questo allegato.
Ovviamente, la mappa può essere creata anche a partire dal codice pixel art che trovate nelle schede presenti su PLAY INAF (La galassia M77 e La prima immagine di un buco nero), ma in questo modo non si ripercorrono le fasi generali della sua creazione. Può comunque essere un modo divertente per introdurre il concetto delle mappe radio.

Attività  2: Mappe di contorni (curve di livelli)

Un altro modo, molto usato, per visualizzare i dati di una mappa radio (ma anche mappe in diverse frequenze) è usare le mappe di contorno, dove i dati vengono rappresentati attraverso le linee di contorno (o linee di livello o isolinee).
Le linee di contorno sono le linee (solitamente linee curve e di forma irregolare) che collegano tutti i punti di una immagine che hanno lo stesso valore della grandezza fisica considerata. Le curve di livello sono molto usate nelle mappe geografiche e topografiche, dove vengono rappresentate in questo modo le varie altitudini del territorio o la profondità  degli oceani. Se la grandezza fisica da visualizzare è la luminosità , come spesso capita in astrofisica, le linee si chiamano isofote (letteralmente, linee con lo stesso illuminamento).
Per capire come vengono costruite, pensate ai vostri dati come se fossero rappresentati in 3 dimensioni: le coordinate del piano rappresentano la zona di cielo mappata e l’altezza è pari al valore dell’intensità  luminosa. Per semplicità , visualizzate i vostri dati come se fossero una montagna: se “tagliate la vostra montagna con dei piani orizzontali, questi intersecheranno la montagna in punti che hanno tutti la stessa elevazione (si veda la figura 3).

Unendo tutti i punti che hanno lo stesso valore, si creano delle linee curve, che possiamo poi rappresentare tutte in uno stesso grafico (fig. 4).
Lo stesso procedimento si applica ai dati delle mappe radio: una volta costruita la mappa radio, e quindi assegnato un valore a ogni puntamento/pixel, è possibile creare un grafico che unisce tutti i punti con lo stesso valore, e farlo per diversi valori compresi tra il valore minimo e quello massimo. E voilà , la mappa è pronta!
Fondamentale, per poter interpretare la mappa, è che al grafico venga sempre affiancata una tabella che contiene la scala dei colori utilizzati e permette di ricostruire l’attribuzione valore-colore.

Procedimento

Dopo aver discusso con gli studenti su cosa siano le mappe di livelli e sui vari tipi di mappe di livelli che conoscono, consegnare a ogni studente una stampa della mappa di tipo 2 (una delle due proposte o a scelta dello studente) ad ogni studente, fornendo le seguenti istruzioni:

1. Assegna un colore a ogni lettera presente nella tabella accanto all’immagine. È possibile scegliere qualunque tipo di colore: puoi seguire il tuo estro, scegliere i tuoi colori preferiti, usare i colori dell’arcobaleno! Qualunque scelta andrà  bene!
2. Usa i pennarelli per
   1. Ripassare le linee con il colore corrispondente alla lettera indicata in tabella;
   2. Oppure per colorare le parti interne tra una linea e l’altra dell’immagine con il colore corrispondente alla lettera indicata in tabella.

Mappa 2a. Mappa del resto di supernova Cygnus Loop osservato tra 7 e 24.8 GHz con il radio telescopio di Medicina e il Sardinia Radio Telescope (Sara Loru et al, 2021). Cygnus Loop è un resto di supernova brillante, scoperto nel 1784 da William Herschel. Un resto di supernova è ciò che rimane in seguito ad un’enorme esplosione (una “Supernova) che si verifica quando una stella di grande massa termina il suo ciclo vitale ed ha esaurito il suo combustibile nucleare. In questa fortissima esplosione, il materiale della stella viene accelerato e compresso ed inoltre, espandendosi, va ad interagire con il le nubi di gas e polveri che già  circondavano la stella, il cosiddetto mezzo interstellare, formando tutte le strutture del resto di supernova. In queste condizioni le particelle acquistano tantissima energia, diventando i cosiddetti “Raggi Cosmici, di cui noi possiamo vedere gli effetti nella banda radio con questo tipo di immagini. Le zone più brillanti sono quelle dove si trovano Raggi Cosmici più energetici, quindi dove i processi di accelerazione sono molto efficienti, mentre le zone meno brillanti indicano la presenza di particelle che hanno perso energia e quindi riescono ad emettere meno nella banda radio a cui stiamo osservando. Questo ci permette di capire meglio come funzionano le onde d’urto di tali esplosioni (shock), ma anche il modo in cui lo spazio interstellare viene popolato da queste particelle ultra-energetiche.

Mappa 2b.  Mappa della nube molecolare G351.776-0.527 osservata nella transizione (1,1) dell’ammoniaca a 23.7 GHz con l’interferometro ATCA (Australia Telescope Compact Array) in Australia (Leurini et al, 2019). G351.776-0.527 è una nube molecolare massiccia di forma filamentare che fa parte di una rete di sottofilamenti densi e freddi che si immettono lungo la struttura principale. Nubi di questo tipo sono ottimi candidati per trovare e studiare condensazioni dense che ospitino fasi iniziali del processo di formazione di stelle di alta massa e di ammassi stellari: questi, infatti, si trovano spesso in corrispondenza dell’incrocio di alcuni sottofilamenti. L’ammoniaca (NH3) è una molecola che viene tipicamente usata come tracciante diagnostico per studiare il gas denso freddo, tipicamente a temperature di 10 – 30 K. Attraverso lo studio delle transizioni radio dell’ammoniaca è dunque possibile determinare le proprietà  fisiche quali la temperatura di una data regione astrofisica. È inoltre utilissima per capirne la cinematica (cioè i suoi moti relativi).

Discussione

Una volta che tutti avranno completato la colorazione delle schede, raccoglierle e confrontare le varie mappe ottenute. Sicuramente le mappe saranno tutte diverse: ogni studente avrà  scelto una scala di colori personale, alcuni potrebbero aver scelto scale con gradazioni successive di colori, altri scale con colori a caso.
A questo punto si può iniziare la fase di discussione corale. Spiegare ai ragazzi che ad ogni lettera corrisponde un intervallo di valori crescente (quindi: a < b < c < d).
Cosa possiamo capire dalla mappa? E soprattutto, indipendentemente dai colori usati, le informazioni che ricaviamo sulla sorgente sono le stesse? (Suggerimento: indipendentemente dalla scala di colori scelta, le mappe individuano le stesse zone di massima intensità ).

Possibile approfondimento interdisciplinare

Le coordinate usate in astronomia sono spesso espresse in ascensione retta (RA) e declinazione (Dec). È possibile approfondire il concetto sfruttando il materiale prodotto per le Olimpiadi di Astronomia.

Valutazione

La valutazione di entrambe le attività  può essere svolta attraverso l’osservazione e la documentazione (fotografica e/o video) dello svolgimento dell’attività  da parte degli studenti, dei passaggi mentali seguiti e delle conclusioni raggiunte.