Come le onde radio ci aiutano a capire l’universo

Gli umani percepiscono l’universo usando la luce visibile che possiamo vedere con i nostri occhi. Tuttavia, c’è di più nel cosmo di quello che vediamo usando la luce visibile che scorre da stelle, pianeti, nebulose e galassie. Questi oggetti ed eventi nell’universo emanano anche altre forme di radiazione, comprese le emissioni radio. Quei segnali naturali riempiono una parte importante del cosmico di come e perché gli oggetti nell’universo si comportano come loro.

Tech Talk: onde radio in astronomia

Le onde radio sono onde elettromagnetiche (luce), ma non possiamo vederle. Hanno lunghezze d’onda comprese tra 1 millimetro (un millesimo di metro) e 100 chilometri (un chilometro equivale a mille metri). In termini di frequenza, ciò equivale a 300 Gigahertz (un Gigahertz equivale a un miliardo di Hertz) e 3 kilohertz. Un Hertz (abbreviato in Hz) è un’unità di misurazione della frequenza comunemente usata. Un Hertz è uguale a un ciclo di frequenza. Quindi, un segnale da 1 Hz è un ciclo al secondo. La maggior parte degli oggetti cosmici emette segnali da centinaia a miliardi di cicli al secondo.

Le persone spesso confondono le emissioni “radio” con qualcosa che le persone possono ascoltare. Questo è in gran parte perché usiamo le radio per la comunicazione e l’intrattenimento. Ma gli umani non “ascoltano” le frequenze radio dagli oggetti cosmici. Le nostre orecchie possono rilevare frequenze da 20 Hz a 16,000 Hz (16 KHz). La maggior parte degli oggetti cosmici emettono alle frequenze di Megahertz, che è molto più alta di quella che l’orecchio sente. Questo è il motivo per cui la radioastronomia (insieme ai raggi X, agli ultravioletti e agli infrarossi) è spesso pensata per rivelare un universo “invisibile” che non possiamo né vedere né sentire.

Fonti di onde radio nell’universo

Le onde radio di solito sono emesse da oggetti e attività energetiche nell’universo. Il Sole è la fonte di emissioni radio più vicina al di là della Terra. Anche Giove emette onde radio, così come gli eventi che si verificano a Saturno.

Una delle più potenti sorgenti di emissione radio al di fuori del sistema solare e oltre la Via Lattea, proviene dalle galassie attive (AGN). Questi oggetti dinamici sono alimentati da buchi neri supermassicci nel loro nucleo. Inoltre, questi motori buco nero creeranno enormi getti di materiale che brillano intensamente con le emissioni radio. Questi possono spesso eclissare l’intera galassia nelle frequenze radio.

Le pulsar, o stelle di neutroni rotanti, sono anche forti sorgenti di onde radio. Questi oggetti forti e compatti vengono creati quando stelle massicce muoiono come supernovae. Sono secondi solo ai buchi neri in termini di densità finale. Con potenti campi magnetici e velocità di rotazione veloci, questi oggetti emettono un ampio spettro di radiazioni e sono particolarmente “luminosi” alla radio. Come i buchi neri supermassicci, vengono creati potenti getti radio, emanati dai poli magnetici o dalla stella di neutroni in rotazione.

Molte pulsar vengono chiamate “pulsar radio” a causa della loro forte emissione radio. In effetti, i dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi hanno mostrato la prova di una nuova generazione di pulsar che appare più forte nei raggi gamma invece della radio più comune. Il processo di creazione rimane lo stesso, ma le loro emissioni ci dicono di più sull’energia coinvolta in ogni tipo di oggetto. 

I resti delle supernova possono essere emettitori particolarmente potenti di onde radio. La Nebulosa del Granchio è famosa per i suoi segnali radio che avvisarono l’astronomo Jocelyn Bell della sua esistenza. 

Radio Astronomia

La radioastronomia è lo studio di oggetti e processi nello spazio che emettono frequenze radio. Ogni fonte rilevata fino ad oggi è una fonte naturale. Le emissioni vengono rilevate qui sulla Terra dai radiotelescopi. Si tratta di strumenti di grandi dimensioni, poiché è necessario che l’area del rivelatore sia maggiore delle lunghezze d’onda rilevabili. Poiché le onde radio possono essere più grandi di un metro (a volte molto più grandi), i cannocchiali sono tipicamente superiori a diversi metri (a volte 30 piedi di diametro o più). Alcune lunghezze d’onda possono essere grandi come una montagna, e così gli astronomi hanno costruito estese schiere di radiotelescopi. 

Maggiore è l’area di raccolta, rispetto alla dimensione dell’onda, migliore è la risoluzione angolare di un radiotelescopio. (La risoluzione angolare è una misura di quanto possono essere vicini due piccoli oggetti prima che siano indistinguibili.)

Interferometria radio

Poiché le onde radio possono avere lunghezze d’onda molto lunghe, i radiotelescopi standard devono essere molto grandi per ottenere qualsiasi tipo di precisione. Ma dal momento che la costruzione di radiotelescopi di dimensioni da stadio può essere proibitiva in termini di costi (soprattutto se si desidera che abbiano qualsiasi capacità di guida), è necessaria un’altra tecnica per ottenere i risultati desiderati.

Sviluppata a metà degli anni ‘1940, la radiointerferometria mira a raggiungere il tipo di risoluzione angolare che verrebbe da piatti incredibilmente grandi senza la spesa. Gli astronomi ottengono questo risultato utilizzando più rilevatori in parallelo tra loro. Ciascuno studia lo stesso oggetto contemporaneamente agli altri.

Lavorando insieme, questi telescopi si comportano efficacemente come un telescopio gigante delle dimensioni dell’intero gruppo di rivelatori insieme. Ad esempio, l’array di base molto grande ha rilevatori distanti 8,000 miglia. Idealmente, una serie di molti radiotelescopi a diverse distanze di separazione lavorerebbe insieme per ottimizzare le dimensioni effettive dell’area di raccolta e migliorare la risoluzione dello strumento.

Con la creazione di tecnologie avanzate di comunicazione e temporizzazione, è diventato possibile utilizzare telescopi che esistono a grandi distanze l’uno dall’altro (da vari punti del globo e persino in orbita attorno alla Terra). Conosciuta come Very Long Baseline Interferometry (VLBI), questa tecnica migliora significativamente le capacità dei singoli radiotelescopi e consente ai ricercatori di sondare alcuni degli oggetti più dinamici dell’universo.

Relazione della radio con le radiazioni a microonde

La banda delle onde radio si sovrappone anche alla banda delle microonde (da 1 millimetro a 1 metro). In effetti, quella che viene comunemente chiamata radioastronomia, è in realtà astronomia a microonde, sebbene alcuni strumenti radio rilevano lunghezze d’onda molto oltre 1 metro.

Questa è una fonte di confusione poiché alcune pubblicazioni elencheranno la banda a microonde e le bande radio separatamente, mentre altre useranno semplicemente il termine “radio” per includere sia la banda radio classica che la banda microonde.

Modificato e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.