Per studiare con il miglior dettaglio possibile l’Universo, la strada apparentemente più immediata è quella di costruire strumenti per astronomia sempre più grandi: i telescopi oggi in funzione raggiungono specchi del diametro di 10 metri, ma la nuova generazione, che dovrebbe vedere la luce tra pochi anni, supererà i 40 metri. E così è anche per la radioastronomia. Il Sardinia Radio Telescope (SRT), il nuovo radiotelescopio dell’INAF che verrà inaugurato tra qualche mese, avrà una parabola del diametro di 64 metri, diventando uno dei più grandi strumenti per questo tipo di indagini. Tuttavia, la sola capacità di raccolta dei segnali, che ovviamente cresce all’aumentare delle dimensioni dello strumento, non è sufficiente da sola per ottenere misure accurate. Ogni componente che costituisce la catena della strumentazione – dalla raccolta all’analisi del segnale – deve essere, come dicono gli esperti, ‘allo stato dell’arte’. Ecco quindi che grande attenzione è stata posta, anche per SRT, a tutti i dispositivi che hanno il compito di incanalare, amplificare e quindi analizzare i segnali raccolti dalla parabola, ottenendo così da essi il massimo delle informazioni scientifiche.
FARADAY (acronimo di Focal-plane Arrays for RadioAstronomy, Design Access and Yeld), sviluppato da gruppi di ricerca INAF dell’Istituto di Radioastronomia di Bologna, dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri e dell’Osservatorio Astronomico di Cagliari, è appunto un sistema ricevente ad altissime prestazioni che equipaggerà il Sardinia Radio Telescope. Ogni suo componente è stato progettato e realizzato per raggiungere le massime prestazioni possibili in termini di basso rumore introdotto nel processo di amplificazione e larga banda di analisi nel dominio delle microonde. Ad esempio, la sezione di amplificazione è stata realizzata con componentistica che sfrutta la tecnologia MMIC (circuiti integrati monolitici per microonde), che permette di realizzare circuiti integrati a banda larga utilizzando un unico substrato di materiale semiconduttore. Livelli di prestazione che potrebbero trovare applicazione anche al di fuori dell’astronomia: amplificatori con queste caratteristiche riescono infatti ad aumentare la sensibilità della strumentazione a microonde e a onde radio utilizzata in medicina, in particolare in campo diagnostico.
Abbiamo rivolto a Renzo Nesti, dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri alcune domande per conoscere meglio il sistema FARADAY e le sue peculiarità, in particolar modo ciò che riguarda il sistema passivo di front-end, ossia la sezione iniziale del radioricevitore, di cui ha guidato lo sviluppo.
Nesti, può “presentarci” FARADAY?
Questo progetto è nato alcuni anni fa, nell’ambito del quinto Programma Quadro europeo della ricerca, come studio di fattibilità per il consorzio RADIONET di un ricevitore per radioastronomia in grado di osservare contemporaneamente più punti in cielo. Nel nostro caso abbiamo da subito pensato di ottimizzare questo ricevitore per il nuovo radiotelescopio italiano SRT, dotandolo della possibilità di fare misure contemporanee in sette punti del cielo, nella banda compresa tra 18 e 26,5 GHz, sia nel continuo che in spettroscopia. All’epoca non era mai stato realizzato un dispositivo di caratteristiche analoghe, e quindi devo dire che avviare questo progetto è stata davvero una scommessa tecnologica per tutti gli elementi del ricevitore, compreso il suo ‘cuore’ ovvero l’amplificatore a bassa cifra di rumore. A FARADAY partecipano gruppi di ricerca INAF dell’Istituto di Radioastronomia, dell’Osservatorio Astrofisico di Arcetri e dell’Osservaotrio Astronomico di Cagliari.
Può indicarci alcune delle caratteristiche più avanzate di questo sistema ricevente?
Per quello che riguarda la sezione di cui mi sono occupato direttamente, una delle caratteristiche più importanti è quella della separazione delle polarizzazioni circolari delle onde incidenti, cioè quella di riconoscere quale sia il senso di rotazione del campo che propaga il segnale radio. La precisione che possiede il dispositivo non è mai peggiore, su tutte le frequenze coperte, dell’1 per cento e dell’1 per mille su gran parte della banda. Un’altra caratteristica di assoluto rilievo di questo ricevitore è la sua temperatura di rumore, un parametro molto tecnico che può essere pensato come un numero che dà la misura della sensibilità dello strumento. 80 kelvin – tanto è il valor medio di questo parametro per FARADAY – è una cifra di assoluto rilievo se comparata ai dispositivi analoghi oggi operativi nel mondo. Colgo l’occasione per sottolineare che i colleghi statunitensi dell’NRAO (National Radio Astronomy Observatory) hanno sviluppato e testato uno strumento di caratteristiche e qualità simili per il radiotelescopio di Green Bank quasi un anno e mezzo dopo il nostro!
Certamente questa esperienza acquisita con FARADAY potrà essere utilizzata per progetti ancora più ambiziosi…
Sì, confortati dagli ottimi risultati finora raggiunti, vorremmo estendere la qualità dei sistemi di ricezioni a frequenze più elevate, partendo dallo sviluppo di un dispositivo ad elevata sensibilità che operi nella banda compresa tra 33 e 50 GHz per arrivare al limite della capacità di ricezione di SRT, che è di 100 GHz. Ovviamente, via via che si sale con la frequenza, le complicazioni tecnologiche aumentano, visto che i componenti dei ricevitori divengono più piccoli, e quindi più difficili da realizzare a parità di prestazioni attese.
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