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CHI-MEglio di lui?

CHI-MEglio di lui?
Copyright: CHIME Collaboration, 2018

L'innovativo radiotelescopio canadese CHIME non è più una chimera e sta iniziando a fare osservazioni che rivoluzioneranno la comprensione dei "Fast Radio Burst" e non solo.

 E' grande come due campi di calcio, sfrutta le tecnologie di amplificazione dei segnali dei cellulari e produce qualcosa come 13 Terabit/secondo di informazioni! Stiamo parlando del Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), un radiotelescopio di nuova concezione che entrerà pienamente in funzione nei prossimi mesi ma che ha già cominciato a fornire dei risultati, come vedremo più avanti. Il suo enorme campo di vista, unito all'ampio intervallo di frequenze e all'elevata risoluzione temporale, consentirà di studiare la distribuzione di idrogeno neutro nello spazio intergalattico e di vedere un gran numero di fenomeni transitori come i lampi radio FRB e le pulsar, ricavando forse indicazioni anche su onde gravitazionali a bassa frequenza.

 Il CHIME Telescope è situato presso il Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO), gestito dal National Research Council of Canada; geograficamente parlando è vicino al confine con gli Stati Uniti, nella parte occidentale, non lontano da Vancouver. Si tratta del più grande radiotelescopio del Canada ed è una joint venture co-guidata dall'Università della British Columbia, l'Università di Toronto, la McGill University e il Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO), tutte istituzioni nel Nord America.

 

Come è fatto e come funziona?

 CHIME è praticamente un telescopio digitale, il che significa che tutta la catena che produce l'"immagine" viene eseguita digitalmente dal software. Per fare questo, utilizza componenti commerciali e quindi a basso costo: amplificatori sviluppati per telefoni cellulari e schede grafiche sviluppate per sistemi di videogiochi alimentano uno strumento che costa solo 13 milioni di dollari.

 L'antenna è costituita da 4 riflettori cilindrici affiancati, ciascuno lungo 100 m e largo 20, con profilo parabolico e corta focale (f/0.25). Essendo uno strumento fisso, sfrutta la rotazione terrestre per esplorare, durante una intera giornata, il cielo in direzione Est-Ovest. Nell'altra direzione Nord-Sud, che è quella su cui sono allineati i riflettori cinlindrici, il campo di vista è estremamente ampio e si estende quasi da un orizzonte all'altro; questo avviene grazie ai numerosi ricevitori allineati sul piano focale di ciascun riflettore (ce ne sono 256 per ciascuno dei due piani di polarizzazione e il totale è quindi 4x256x2=2048 ricevitori). Il campo istataneo abbracciato copre circa 200 gradi quadrati.

Chime Focal line rsd

Uno degli elementi cilindrici di CHIME; il dettaglio dell'estremità è ingrandito per mostrare la rete metallica che, nonostante le maglie vuote, riflette comunque le onde radio, essendo queste decine di volte più lunghe della spaziatura tra i fili; in alto il traliccio contenente i dipoli dei ricevitori - Credit: CHIME Collaboration, 2018 - Processing: M. Di Lorenzo

 I 2048 segnali dai ricevitori vengono prima amplificati tramite un dispositivo a due stadi e basso rumore e poi vengono digitalizzati e pre-elaborati dal cosiddetto "F-Engine", ospitato in due containers accanto al radiotelescopio. Questo "motore digitale", basato su un gran numero di dispositivi FPGA (Field Programmable Gate Array), converte il segnale analogico in parole di 8 bit e lo fa ad un ritmo elevatissimo, circa 2 GHz. Successivamente, per ciascun microsecondo di dati (2048 campioni), viene generato uno spettro basato su 1024 frequenze diverse, tramite una operazione numerica ben nota (trasformata di Fourier). Alla fine, quindi, l'intervallo 400-800 MHz è suddiviso in 1024 canali ampi 0,39 MHz e questa è la risoluzione spettrale dello strumento. I dati vengono quindi ripartiti sui vari canali e inviati, tramite fibra ottica, all' X-Engine con la già citata velocità spettacolare di 13 Tbit/s, comparabile con il traffico mondiale della rete cellulare attuale!

 Il seguente diagramma a blocchi illustra, per grandi linee, il funzionamento dello strumento. 

Schime 

Credit: CHIME Collaboration, 2018 - Processing: M. Di Lorenzo

 L'X-Engine è di fatto un piccolo super-computer che agisce come il "correlatore" dell'interferometro, Esso utilizza delle GPU (Graphic Processing Units) simili ai processori presenti nelle schede grafiche, capaci di eseguire un gran numero di calcoli in parallelo. In ciascuno dei due container dedicati, ci sono 128 "nodi" computazionali suddivisi in 15 armadi grandi come frigoriferi, con un consumo totale di 250 kW. Ogni millisecondo, il motore produce un output su quello che è il segnale effettivamente registrato dalle 4 antenne e questa è la risoluzione temporale del telescopio. Il segnale viene poi mediato nel tempo e salvato su Hard Disk esterni per ulteriori elaborazioni e per ricostruire l'immagine della zona di cielo osservata.

 La catena non finisce qui perchè, a seconda del tipo di indagine che si deve condurre, i segnali vengono smistati e processati in tre diversi sistemi. Quello dedicato alla ricerca di Fast Radio Burst, in particolare, è ospitato sempre nelle vicinanze del telescopio, in un altro container, e utilizza oltre 2500 processori con 32 TB di RAM! 

 "Questo telescopio è radicalmente diverso dagli altri ed è una pietra miliare verso una nuova maniera di fare radioastronomia" ha dichiarato Matt Dobbs, CHIME investigator della McGill University.

Cosa sta vedendo e cosa vedrà?

 Antenna e ricevitori sono progettati per avere una buona sensibilità nell'ampio intervallo di frequenza 400÷800 MHz, ovvero la regione UHF delle onde decimetriche (con lunghezza d'onda 37÷75 cm). Come suggerisce l'acronimo, CHIME è stato concepito per osservare la riga a 21 cm dell'idrogeno neutro (HI), la più celebre e più osservata della radioastronomia; se prodotta da una sorgente vicina, però, la riga sarebbe inosservabile da questo strumento perchè avrebbe una frequenza troppo alta (1420 MHz). Tuttavia, se la nube di idrogeno che la produce si trova a grande distanza dalla Via Lattea, a causa dell'effetto Doppler cosmologico la sua lunghezza d'onda aumenta e si sposta nella finestra osservabile da CHIME. Questo avviene se il cosiddetto "red-shift" è compreso tra 0,8 e 2,5, quindi a distanze decisamente elevate (circa 7÷11 miliardi di anni luce), nell'epoca in cui l'energia oscura ha cominciato a prendere il sopravvento sulla gravità facendo accelerare l'espansione dell'universo.

 Lo scopo delle osservazioni multispettrali a largo campo sarà quello di applicare la tecnica dell' "Hydrogen Intensity (HI) Mapping" per rivelare la presenza di "Oscillazioni Acustiche Barioniche" (BAO) nel gas intergalattico. Queste disomogeneità nella densità sono state già osservate nel fondo di radiazione cosmica, risalente a 380000 anni dopo il Big Bang; la loro impronta, lasciata alcuni miliardi di anni dopo nell'idrogeno neutro intergalattico, dovrebbe generare bolle di dimensioni ben precise (circa 400 milioni di anni luce). Perciò, si tratta di un metro di misura indipendente e misurandone le dimensioni apparenti e il red-shift, CHIME potrebbe valutare il tasso di espansione dell'universo in epoche passate, ricavando preziose informazioni sull'energia oscura e anche sull'evoluzione galattica. In passato tentativi per fare queste stime sulla base della densità di galassie si sono scontrati con varie difficoltà legate a un ristretto campo di vista e di red-shift, mentre CHIME permetterà di farlo rapidamente e su grande scala, con una risoluzione più bassa ma sufficiante a vedere tali oscillazioni.

 E poi ci sono i "Fast Radio Burst", lampi che probabilmente brillano in cielo migliaia di volte nel corso di un giorno, ma che gli astronomi vedono casualmente e di rado, a causa del ristretto campo di vista dei radiotelescopi tradizionali. In effetti, attualmente ci sono più teorie che osservazioni: in letteratura, sono riportati solo 36 FRB, osservati negli ultimi 11 anni, e 45 articoli con teorie sulla loro genesi! Sappiamo che si tratta di brevi esplosioni extragalattiche, centinaia di milioni di volte più potenti del Sole; tipicamente durano un paio di secondi (ma possono andare da 0,35 a 21 secondi, si veda la lista aggiornata) ed è possibile che siano legate in qualche modo alla fusione di stelle di neutroni; però potrebbero anche rappresentare una classe completamente nuova di oggetti astrofisici. Sulla base dei FRB effettivamente osservati, si è estrapolato il seguente diagramma che mostra come lo strumento CHIME sarà nettamente superiore agli altri osservatori in termini di numero di eventi (da uno a qualche decina di lampi ogni giorno) e coprirà anche una banda di frequenze altrimenti non osservata (e nettamente più ampia degli altri sistemi).

Chime frb 2

Credit: CHIME Collaboration, P.Chawla - Processing: M. Di Lorenzo

 Ebbene, la mattina del 25 luglio CHIME ha visto già il suo primo FRB, denominato FRB 180725A; dato che il telescopio deve ancora entrare nel suo progetto finalizzato (previsto per il prossimo autunno), è un segnale promettente; per inciso, l'evento (da confermare) è stato osservato in un canale a frequenza medio-bassa (580 MHz) e ci sono indiscrezioni secondo le quali il team che sta analizzando i primi dati raccolti avrebbe visto un paio di altri eventi a frequenze ancora più basse. CHIME, insieme a una serie di altri radiotelescopi che arriveranno presto online, potrebbe essere in grado di migliorare drammaticamente la statistica disponibile e, dato che il rilevamento automatico di FRB avviene in tempo reale e che il sistema è collegato a una rete mondiale di osservatori, nel giro di pochi secondi gli eventi potranno venire osservati anche in altre lunghezze d'onda e persino dai satelliti. Tutto questo dovrebbe permettere, nel giro di pochi anni, di sciogliere il mistero attorno a questi curiosi fenomeni.

 Infine, ci sono le Pulsar. I radiotelescopi di tutto il mondo monitorano un gran numero di questi corpi collassati come parte del Pulsar Timing Array (PTA), un progetto rivolto alla rilevazione di sottili modifiche sui tempi di arrivo dei loro impulsi, imputabili al passaggio delle onde gravitazionali di grandissima lunghezza d'onda; si parla di onde con periodi di svariati anni, generate dal merging di buchi neri supermassicci durante la fusione tra galassie. CHIME sarà in grado di monitorare efficacemente le pulsar nel cielo settentrionale, riuscendo a vederne contemporeaneamente una decina e misurandone con precisione i tempi di pulsazione. Questo genererà una grande mole di dati a basse frequenze, utili per discriminare l'effetto indesiderato dei ritardi dovuti al gas interstellare e quindi aumentare la precisione e la sensibilità degli studi che utilizzano la PTA.

 

Riferimenti:

https://chime-experiment.ca/

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/the-storm-begins-canadian-telescope-spots-first-radio-burst/?k=MGCvz8STOBOajOLLyUhgfwZnGnkRsullbwP04xYion4%3D&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=sky-

http://www.astronomy.com/news/2018/03/chime-begins-its-cosmic-searchjma-nl-180817&cid=DM64574&bid=654705606

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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