Come si ottiene un’immagine radio?

Aggiornato il 21 Luglio 2021

Descrizione breve

Un’attività laboratoriale per capire come vengono costruite le immagini astronomiche in falsi colori – 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)
• 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 1a e 1b (prima immagine del buco nero super massiccio in M87; galassia a spirale M77) allegata per ciascuno degli studenti
• 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 spettro 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, perché 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

L’attività procede in più fasi.

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.

Valutazione

La valutazione 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.