Dopo la prima immagine arrivata lo scorso marzo, proseguono i test di collaudo (commissioning, in inglese) del radiotelescopio Ska-Low, attualmente in fase di costruzione in Australia. Operando in modalità interferometrica – ossia come un unico telescopio – le prime quattro stazioni di antenne a bassa frequenza hanno catturato il segnale proveniente da una pulsar. Nome in codice: Psr J0835-4510, meglio nota come la pulsar della Vela. Si tratta di una delle sorgenti più brillanti e vicine alla Terra di questo tipo e situata nella costellazione meridionale delle Vele. Un oggetto ben conosciuto dagli astronomi, perfetto per testare l’efficacia del nascente Osservatorio Ska (Skao), che una volta terminato sarà il più grande radiotelescopio al mondo, con migliaia di antenne log-periodiche in Australia occidentale e centinaia di antenne a parabola in Sudafrica.
Rappresentazione artistica di una pulsar in rotazione con le linee del campo magnetico che si estendono da un polo all’altro. Il suono è stato creato utilizzando le misurazioni della pulsar della Vela effettuate dalle prime quattro stazioni di Ska-Low. La pulsar della Vela ruota 11 volte al secondo, ovvero con una velocità di 89 millisecondi. Crediti: Skao
Tra gli oggetti più estremi dell’universo, le pulsar sono stelle di neutroni super compatte – immaginate un oggetto che starebbe dentro una sfera grande quanto il grande raccordo anulare di Roma. Ruotando vorticosamente, emettono un fascio di onde radio che investe l’osservatore a ogni rotazione, come un faro… ma nel cosmo. Quando questi segnali incrociano la Terra durante la loro rotazione, la stella di neutroni diventa visibile come una sorgente radio pulsante e quindi osservabile dai telescopi. Il loro ritmo incredibilmente regolare le rende dei veri e propri “orologi cosmici”, utili per una vasta gamma di esperimenti, come la ricerca di onde gravitazionali o i test della relatività di Einstein.
La pulsar della Vela, formatasi circa 12mila anni fa in seguito dell’esplosione di una supernova di tipo II, è una stella di neutroni che ruota su sé stessa fino a 11 volte al secondo, emettendo impulsi radio regolari ogni 89 millisecondi. A oltre 950 anni luce dal Sole, la pulsar della Vela è l’oggetto persistente più luminoso nel cielo dei raggi gamma ad alta energia.
Per fare il punto sullo stato di costruzione e sul collaudo del radiotelescopio Ska-Low e per capire l’importanza di osservazioni come quella della pulsar Vela, Media Inaf ha intervistato Giulia Macario, Ska-Low commissioning scientist in Australia e associata presso l’Inaf di Arcetri.
Giulia Macario, Ska-Low commissioning scientist, di fronte a una delle stazioni del radiotelescopio australiano Ska-Low dell’Osservatorio Ska. Il commissioning è una fase cruciale del progetto: serve a mettere a punto la sensibilità e il corretto funzionamento del telescopio, che sarà operativo per la comunità scientifica a partire dal 2027. Attualmente, nel sito australiano di Skao sono già state installate oltre 6.400 antenne, pari a circa il 5 per cento della configurazione finale, che prevede 131.072 antenne distribuite su un’area di 74 km. I componenti del telescopio arrivano da vari Paesi: le antenne e le schede di elaborazione vengono prodotte in Italia, mentre i sistemi di amplificazione sono forniti dal Regno Unito (ma progettati in Italia da Inaf in collaborazione con Asb).
Macario, osservare la pulsar della Vela con le prime quattro stazioni di Ska-Low è considerato un traguardo importante per il vostro team. Perché?
«Le pulsar sono stelle di neutroni rotanti e magnetizzate che emettono luce in tutto lo spettro elettromagnetico, e sono particolarmente brillanti alle basse frequenze radio. Sono state scoperte proprio con radiotelescopi a bassa frequenza. La scoperta, attribuita alla celebre astronoma Jocelyn Bell nel 1967, avvenne a 81.5 MHz e le prime osservazioni di questi oggetti sono state realizzate con radiotelescopi operanti a bassa frequenza. Ska-Low rivoluzionerà lo studio delle pulsar, perché sarà capace di osservarne e scoprirne moltissime in grande dettaglio, specialmente nell’emisfero australe. L’alta luminosità e la vicinanza della pulsar della Vela ne fanno una sorgente ideale per i primi test osservativi di Ska-Low. Negli ultimi 18 mesi, abbiamo già osservato e analizzato dati di circa 50 pulsar ottenuti con le singole stazioni. Ognuna di queste osservazioni permette di verificare che la sensibilità di ogni stazione di Ska-Low sia in accordo con quella prevista dalle simulazioni elettromagnetiche. La detezione di questa pulsar è particolarmente significativa perché rappresenta la prima vera e propria osservazione interferometrica di una pulsar con Array Assembly 0.5 (Aa0.5), la prima versione dell’intero telescopio Ska-Low attualmente in fase di commissioning (quattro stazioni Ska-Low nel ramo sud del telescopio, separate da una massima distanza di poco meno di 6 chilometri)».
Qual è il significato tecnico di questa rilevazione?
«Ska-Low è uno strumento incredibilmente complesso e questi test, sia utilizzando le singole stazioni indipendentemente che tutte insieme in modalità interferometrica, sono essenziali per verificare che l’intero il sistema e la sequenza di processi funzionino come atteso – dalla preparazione dell’osservazione, alla prima ricezione del segnale, fino alla post-elaborazione dei dati ottenuti. È un traguardo molto importante per il team e per Skao. Ed è affascinante pensare che il popolo Wajarri possa aver osservato a occhio nudo l’esplosione della supernova progenitrice della pulsar Vela, giorno e notte, circa 12mila anni fa».
Qual è il valore scientifico del vostro risultato?
«Le pulsar rappresentano laboratori astrofisici fondamentali per testare la relatività generale e la fisica della materia a densità estreme. La sensibilità senza precedenti raggiungibile con Ska-Low, insieme alla rapidità con cui il telescopio sarà capace di osservare diverse e ampie regioni di cielo (quasi in tempo reale) consentiranno studi in questo ambito a un livello di dettaglio impossibile da raggiungere con altri telescopi. Lo studio delle pulsar è uno degli obiettivi scientifici principali di Ska-Low. I progressi ottenuti dal team di commissioning, sia utilizzando le singole stazioni che l’intero array, sono largamente basati su risultati e conoscenze tecniche precedentemente acquisite con il Murchison Widefield Array e con le stazioni prototipo del radiotelescopio australiano. L’osservazione interferometrica della pulsar della Vela con tutte e quattro le stazioni di Aa0.5 è particolarmente importante perché è una prima verifica delle capacità dell’intero sistema di catturare il segnale di una pulsar in modalità interferometrica. Una vera e propria prima luce del telescopio in modalità non-imaging, tanto importante quanto la sua prima immagine interferometrica arrivata lo scorso marzo».
Il grafico mostra 100 impulsi della pulsar della Vela (con sonificazione). Crediti: Skao
Dal punto di vista tecnico, quali altri aspetti state testando?
«Queste osservazioni sono fondamentali non solo per testare la sensibilità delle sue singole stazioni, confrontando i risultati con dati provenienti da altri radiotelescopi e dalla letteratura, ma anche per verificare le capacità del cosiddetto sistema di beamforming del telescopio. Saremo in grado, inoltre, di contribuire alla individuazione e risoluzione di eventuali problematiche del sistema, nei vari livelli del complesso percorso che il segnale radioastronomico compie prima di poter essere analizzato».
Quali sono i prossimi passi nei test?
«Il prossimo obiettivo della costruzione e del commissioning di Ska-Low si chiama Array Assembly 1 (Aa1). È la seconda fase del progetto, in cui l’interferometro sarà composto da ben 16 stazioni (oltre 4.600 antenne) nei tre gruppi di antenne del ramo sud – circa il 3.5 per cento di quello che sarà il telescopio completo. Le antenne sono già state installate e Aa1 sarà pronto per i primi test entro la fine di questo mese».
Quali osservazioni avete in programma?
«Il team osserverà quotidianamente sia la pulsar della Vela che altre pulsar, per testare in modo sistematico le capacità di pulsar timing in vista della cosiddetta fase di science verification, che avrà inizio con l’Array Assembly 2 (AA2) nel 2027. I test del team di collaudo scientifico sono numerosi, per verificare svariati aspetti del sistema. Oltre alle osservazioni delle pulsar, è attualmente in corso una campagna di osservazioni di calibratori (sorgenti radio brillanti, tipicamente extragalattiche, selezionate dal catalogo Mwa Gleam). Queste serviranno a costruire modelli di cielo sempre più accurati man mano che il telescopio diventa più esteso, e quindi sensibile e con maggiore risoluzione angolare. I dati acquisiti sono anche fondamentali per contribuire allo sviluppo e alla messa a punto delle Ska-Low Science Data Pipelines per il processamento dei dati di Ska-Low, dal dato grezzo fino ai prodotti utili alla comunità astronomica, nonché ad affinare le tecniche di calibrazione e imaging. Nuove e stimolanti sfide si presenteranno nei prossimi mesi, ma anche entusiasmanti risultati».
In che modo Ska-Low aiuterà la comunità scientifica a studiare fenomeni estremi come i buchi neri o le onde gravitazionali, e perché questo telescopio sarà unico al mondo per questo tipo di studi?
«Ska-Low sarà così sensibile da essere in grado di rilevare segnali radio a bassa frequenza che nessun altro radiotelescopio riesce a captare. Permetterà di osservare regioni attorno ai buchi neri, seguire e monitorare gli effetti degli eventi delle onde gravitazionali, studiare le grandi strutture cosmiche in gran dettaglio. È questo che rende Ska-Low unico: la sua sensibilità senza precedenti nella banda di frequenze 50-350 MHz, oltre alla sua flessibilità e capacità di esplorare il cielo molto rapidamente. Ska-Low sarà in grado di cronometrare le pulsar al millisecondo con una precisione superiore a un decimilionesimo di secondo, permettendo di rilevare ritardi minimi nei segnali causati dal passaggio di onde gravitazionali. Cronometrando con precisione una rete di pulsar distribuite nella Via Lattea, Ska-Low diventerà un vero e proprio osservatorio galattico di onde gravitazionali, aprendo una nuova finestra sull’universo».
