Secondaria di secondo grado Università Maura Pilia Silvia Casu Laboratorio didattico Astronomia Radio Fisica: Grandezze fisiche e misure Fisica: Luce Scienze: Tecnologia

A caccia di FRB!

Capiamo come vengono individuati i Fast Radio Burst attraverso l'analisi di un set di dati reali, con questo laboratorio per la scuola secondaria di secondo grado

Obiettiviì

  • Capire le problematiche legate alle osservazioni radio in generale
  • Capire le difficoltà delle osservazioni di eventi transienti come i FRB
  • Capire i passaggi dell’analisi di dati reali
  • Sviluppare competenza digitale
  • Sviluppare capacità comunicativa, per esprimere le proprie opinioni in modo conciso e pertinente

Materiali occorrenti

  • Connessione a internet stabile
  • Un account Google per accedere ad una cartella Drive

Informazioni preliminari

I lampi radio veloci (Fast Radio Burst o FRB) sono delle esplosioni molto energetiche che avvengono all’improvviso in diverse parti dell’Universo, osservabili nella banda radio dello spettro elettromagnetico. Vengono chiamati “lampi veloci” perché sono eventi estremamente rapidi, della durata di qualche millesimo di secondo. Scoperti nel 2007, sono uno dei grandi misteri dell’astrofisica moderna.
Per saperne di più su FRB, sulla loro scoperta e sulla loro importanza, vi suggeriamo di guardare il video introduttivo nel canale di EduINAF.
Data la loro rapidità e la loro imprevedibilità, osservare FRB è una attività complicata e a tratti frustrante. Ma quando ci si riesce, è una gran soddisfazione. In questa attività gli studenti potranno cimentarsi nella ricerca di FRB in un set di dati reali.
Prima di iniziare, qualche informazione su com’è fatto un segnale radio. Se immaginiamo di puntare un radio telescopio in una regione di cielo in cui non ci aspettiamo ci sia niente, lo strumento registrerà comunque un segnale “di fondo”, quello che viene chiamato “rumore” (in figura), dovuto in parte all’elettronica dello strumento e in parte al fatto che non esistono direzioni “vuote”. In genere si cerca di mantenere il livello di rumore il più basso possibile, ma non è mai possibile eliminarlo del tutto.

Spettro del rumore di fondo di una oservazione
Spettro del rumore di fondo di una osservazione

I segnali astrofisici, per potere essere osservati senza dubbio, devono emergere chiaramente da questo livello di rumore di fondo. Anche i segnali emessi dalle sorgenti più energetiche, però, quando attraversano distanze lunghissime arrivano spesso sulla terra molto deboli e quindi possono rimanere immersi nel rumore. Bisogna dunque trovare delle strategie per far emergere il segnale.
Per fortuna, il rumore è per sua natura casuale, quindi a volte si somma, a volte si sottrae alla linea di base. Il che implica che, se consideriamo  le osservazioni in una banda (cioè su tante frequenza adiacenti) e in diversi istanti, sommando tutte le osservazioni il rumore tenderà ad appiattirsi, mentre il segnale emergerà più facilmente.

banda radio reale: sono presenti rumore e interferenze
Banda radio reale: sono presenti rumore e interferenze
Segnale che emerge sul rumore di fondo
Segnale che emerge sul rumore di fondo

Nelle osservazioni reali si aggiunge però un’altra difficoltà: la banda radio è infatti comunemente usata per le telecomunicazioni (telefonia mobile, tv, satelliti, …) e spesso, nelle bande in cui osservano i radio astronomi, vengono registrati anche molti segnali artificiali terrestri: sono quello che viene chiamato comunemente interferenze radio (radio frequency interference, o RFI). Oltre a creare confusione, le RFI sono spesso segnali magari non particolarmente intensi ma comunque molto vicini e dunque e possono coprire completamente i segnali astrofisici.
In alcuni casi le RFI sono tante e tali da far perdere completamente il livello base di rumore.

Spettro di una osservazione radio: presente il rumore e varie interferenze
Spettro di una osservazione radio: sono presenti il rumore e varie interferenze

E sfortunatamente, le interferenze si sommano osservazione su osservazione, rendendo a volte impossibile cercare segnale astrofisici in certe frequenze. Oltre a schermare tutte le apparecchiature presenti al sito di un radio telescopio, per creare quella che viene definita una zona di silenzio radio, molto telescopi sono dotati di sistemi di monitoraggio, fissi o mobili, delle RFI. Per approfondire il problema delle interferenze radio, vi suggeriamo la visione del video I furgonauti realizzato all’Istituto di Radio Astronomia di Bologna.
La prima operazione da compiere sui dati è dunque quella di pulizia dalle RFI. Nei dati possiamo individuarle perché compaiono a certe frequenze in tutti i tempi. Sfortunatamente, a differenza del rumore, una volta nei dati, le interferenze possono essere solo cancellate, eliminando le parti di banda corrispondenti.

I dati radio FRB

Osserviamo la figura. Sono riportati dei set di osservazioni ripuliti: le bande bianche orizzontali rappresentano le bande di frequenze cancellate dai dati in quanto interferenze radio.

Segnale radio ripulito: sono visibili dei tipici andamenti paraboloidali attribuibili a FRB.
Segnale radio ripulito: sono visibili dei tipici andamenti paraboloidali attribuibili a FRB.

Come chiaramente visibile, sono purtroppo tante. La parte grigia invece rappresenta il rumore di fondo dei dati. Emerge visibile un segnale con un caratteristico andamento paraboloidale: questo segnale è un FRB!

Rallentamento subito dal segnale per effetto della distanza percorsa
Rallentamento subito dal segnale per effetto della distanza percorsa: il segnale viene “disperso”

L’andamento dipende dal fatto che il segnale subisce una dispersione durante il suo viaggio dalla sorgente emettente (per esempio una galassia lontana) fino al radio telescopio. Durante il viaggio, infatti, il segnale viene rallentato dal passaggio attraverso diversi tipi di materia, un rallentamento che però funziona diversamente da frequenza a frequenza (vedi figura): i segnali a più bassa frequenza arrivano leggermente più tardi di quelli a frequenza maggiore. Il ritardo che il segnale subisce è legato alla distanza, e indirettamente alla quantità di materia attraversata.
Questa correlazione può essere misurata attraverso una grandezza che viene chiamata misura di dispersione (dispersion measure, DM). Maggiore è la distanza, maggiore sarà il DM; maggiore il DM, maggiore il rallentamento del segnale. Il che significa che un segnale terrestre avrà DM=0.

Segnale ripulito e dedisperso
Segnale ripulito e dedisperso

L’obiettivo dunque dell’attività sarà de disperdere il segnale, cioè trovare il giusto valore di DM che permette di correggere i dati per il ritardo, in modo da ottenere un segnale più comprensibile, come quello mostrato in figura.
Trovate tutte queste informazioni introduttive in questo video tutorial preparato per voi dalla ricercatrice Maura Pilia (Inaf-Osservatorio Astronomico di Cagliari), esperta di ricerca di FRB.

Descrizione attività

Siamo ora pronti a cimentarci nella nostra caccia agli FRB!
L’attività proposta consiste nell’analisi di un set di dati reali, registrati dal radio telescopio Sardinia Radio Telescope (in Sardegna, Italia). Come succede nella realtà, alcuni set di dati saranno privi di segnale FRB, e sarà compito dello studente individuare il set “fortunato”.
Per analizzare i dati, vi servirà un programma specifico. A tale scopo, è stato preparato un cosiddetto notebook scritto in un linguaggio di programmazione chiamato python. Nessuno spavento, non è richiesto sapere programmare per poter svolgere l’attività, ma in questo modo possiamo simulare il più possibile l’attività reale che viene condotta dai ricercatori, che quotidianamente devono scrivere programmi per poter analizzare i loro dati.

Fase 1. I dati

Iniziamo a scaricare i dati: basta cliccare su https://drive.google.com/drive/folders/1p9MoZRrq55u94ToKeZZpxyfZctp89WQn?usp=sharing e collegare questa cartella condivisa con il vostro spazio Google Drive. Per farlo, una volta nella vostra cartella Drive, andate nel menù di sinistra e cliccate su Condivisi con me: troverete una cartella chiamata Notebook EDU INAF FRB. Cliccate con il tasto destro del mouse e si apriranno delle opzioni: selezionate Aggiungi scorciatoia a Drive e tra le opzioni selezionate Il mio Drive. A questo punto tornando indietro nel vostro Drive dovreste trovare la cartella che abbiamo creato.
Dentro la cartella troverete un’altra cartella (SRT Data) che contiene 8 set di dati (secret_data_n.h5, con n=1,8). Verificate che ci sia tutto.

Fase 2 Il codice di analisi

A questo punto dobbiamo passare all’analisi dei dati. Come detto, useremo lo spazio Colab di Google per sfruttare le risorse online di calcolo.
Cliccate su https://colab.research.google.com/drive/1SUj4nFwNiV4QwapT7gil50dowkiQIiEX?usp=sharing e salvatene una copia sul vostro Drive.
Seguite poi le istruzioni nel tutorial video di Maura Pilia per usare il codice di analisi.

In pratica dovrete giocare con il tempo alla ricerca di possibili segnali e, nel caso, con la misura del DM in modo da dedisperdere i dati alla caccia di un segnale FRB. Un utile suggerimento è quello di controllare sempre il valore del rapporto tra il segnale e il rumore (indicato come S/N nel codice): una volta che pensate di aver trovato un FRB, regolate la misura del DM in modo fine per massimizzare questo valore e ottenere il miglior segnale possibile e tenete traccia dei valori che avete ottenuto!

Tutto chiaro? Buona caccia!

Fase 3 La caccia ai lampi radio veloci. Considerazioni finali

Siete riusciti a trovare un FRB? Non è così semplice, vero? Non per niente gli FRB sono stati scoperti solo da poco.
Le nostre considerazioni finali le trovate in quest’ultimo video, sempre di Maura Pilia.

Se poi volete approfondire qualche aspetto trattato nell’attività, discutere con noi le vostre considerazioni o semplicemente volete farci vedere i grafici dei vostri FRB, potete contattarci agli indirizzi email silvia.casu@inaf.it e maura.pilia@inaf.it.

Add Comment

Click here to post a comment

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.