Osservazione di una pulsar

Introduction

Anche questa volta ho affrontato il problema con il mio amico Fer (IW1DTU) nell estate del 2014
La sorgente e faro di ispirazione sono stato i risultati ottenuti da K5SO e descritti molto bene sul suo sito web: K5SO Radio Astronomy
La pulsar scelta e' stata per forza di cose la PSR B0329 + 54 essendo la piu' (relativamente) potente osservabile dal nostro emisfero
La pulsar e' distante 2643 anni luce dal sistema solare e compie una rotazione completa ogni 0,71452 secondi e hanno calcolato essere vecchia di 5,5 milioni di anni.
Una pulsar e' una stella di neutroni piccola (circa 10Km di diametro) ma con una massa estremamente alta che ruota su se stessa ad altissima velocita'. Essa emette un potente fascio di radiazione elettromagnetica ai suoi poli e, a causa della rotazione, quando diretti verso l'osservatore sono (forse) ricevibili come impulso con una cadenza estremamente precisa e costante.
Il segnale emesso e' a largo spettro e di intensita' variabile con la frequenza, il picco massimo di radiazione avviene attorno ai 380Mhz e quindi ci sembrava naturale tentarne l'osservazione sui 70cm che non solo e' la gamma radioamatoriale piu' vicina ma permetteva di usare la mia antenna da 16 x 26 elementi e tutta la seguente catena di ricezione.

Difficolta'

la rivelazione di una pulsar e' sicuramente una grande sfida per una istallazione amatoriale perche' i segnali sono comunque estremamente deboli. Per avere qualche possibilita' da parte di radio astronomi amatoriali e' necessario disporre di un'antenna con buon guadagno e di mezzi di trattamento numerico del segnale.
Il trattamento numerico dei segnali e' diventato oggi possibile grazie ai ricevori SDR associati ad un PC e corredati da opportuno software. Un trucco, indispensabile al nostro livello per facilitare il successo e' il fatto che puntando ad una pulsar gia' nota se ne conosce con esattezza il periodo, e' quindi possibile puntare a riconoscere solo i segnali che sono coerenti con la stella cercata.
Il processo consiste nel mediare numerosi blocchi di segnale digitalizzato in sincronismo con la frequenza della pulsar in modo da affievolire il rumore casuale ed invece metterne in evidenza il contenuto periodico.
Il processo richiede periodi di lunga osservazione per raccogliere una quantita' sufficiente di dati (ore). La pulsar e' un trasmettitore a larga banda e i suoi segnali possono essere rivelati soltanto grazie alle variazioni del rumore di fondo e quindi con un'analisi nel dominio del tempo. La quantita' di eccesso di rumore e' quindi direttamente proporzionale al rumore totale ricevuto e' percio' importante cercare di utilizzare il ricevitore con la piu' ampia larghezza di banda possibile.

SetUp

La stazione era cosi composta:

I1NDP Installation

70cm array con capacita' di tracking della pulsar
0.3db NF, 30db gain LNA
70 cm Transverter
Generatore controllotao al rubidio

IW1DTU invece ha fornito


Divisore di frequenza(1 a 10000000)
SDR 14 connesso all'uscita IF a 28Mhz del trasverter
Software Sprectravue
Personal computer

Principio di funzionamento


Il ricevitore SDR14 (RS Space) prevede la possibilita' di un trigger esterno che controlla la produzione di pacchetti di campioni a precisi intervalli di tempo. Settando opportunamente il generatore di frequenza e passando dal divisore e' possibile fornire impulsi di trigger con intervalli corrispondenti al periodo della pulsar.


Ma non e' finita, siccome il segnale da ricevere e' soggetto a doppler che dipende dalla localita' da cui si osserva e dal tempo il periodo apparente della pulsar non e' costante e va ricalcolato al momento. Per fortuna Joe (K5SO), a cui vanno tutti i nostri ringraziamnti per la disponibilita' ed i preziosi consigli, ci e' venuto incontro fornendoci una versione della famosa "tempo" utility compatibile con i nostri PC.


Fornendo i parametri corretti, oggetto in osservazione, coordinate locali e ora corrente la frequenza calcolata e' usata per settare correttamente il generatore di segnali. L'SDR14 ha inoltre diverse prestazioni pensate proprio per radioastronomia e ,tra queste, la visualizzazione nel dominio del tempo e la capacita' di fare il data folding.

70cm Pulsar Observation


Dopo tutta questa premessa abbiamo fatto diversi tentativi, ed in piu' occasioni, di ricevere la pulsar in 70cm ma, molto delusi, senza vederne un minimo segno. La condizione della banda dei 432Mhz nella mia zona soffre di un grave livello di inquinamento elettromagnetico Quando istallai l'antenna ero in grado di misurare un livello di sun noise in eccesso di 17db mentre ora i livelli (al meglio) sono tra 15 e 16 db.
In aggiunta ho rumori discontinui ma molto forti a causa dei giunti sulle linee di alimentazione delle antenne che evidentemente ossidati hanno bisogno di una pesante manutenzione. Soprattutto nei momenti in cui l'antenna si muove diventa un vero generatore di rumore. La speranza era che il processo di data folding potesse eliminare completamente i disturbi sporadici ma cosi' non e' stato. Si impone tentare in altra direzione.

23cm Pulsar Observation


I 23cm si presentano invece, per ora, come una banda molto piu' tranquilla e il maggior guadagno disponibile puo', almeno in parte, compensare la minore intensita' di campo della pulsar. Un primo tentativo usando la stessa tecnica dei 70cm con circa due ore di osservazione (SDR14 + Hardware trigger) ha tuttavia dato risultati negativi. L'unica speranza rimasta era di provare a ricevere una larghezza di banda maggiore per aumentare la sensibilita' del nostro sistema, sfortunatamente SDR14 in modo triggered non puo' superare il limite dei 250Khz. Io posseggo un Perseus che pero' e' stato progettato come eccellente ricevitore per HF ma non ha nessuna funzione particolare orientata alla radioastronomia. In compenso ha la capacita' di registare 2Mhz di banda passante su un file in formato .wav. La possibilita' era di provare a fara un off line data processing sul file prodotto dal Perseus e usare un software (home made) ad hoc per l'integrazione dei dati. La catena di ricezione divento quindi:
10m dish
0.27db NF,37db gain LNA
Transverter with 28MhzIF
Perseus on the IF output tuned at 28Mhz,come feeder lo stesso utilizzato per EME ovvero dual mode septum a polarizzazione circolare.
Il software scritto appositamente e' fatto di un data processor con input dal .wav prodotto da Perseus che integra i dati su una tabella in memoria ed un primitivo oggetto grafico per visualizzare il risultato.
I dati in ingresso per processare i campioni di segnale erano inizialmente costituiti dalla frequenza della pulsar ottenuta da "tempo" per frequenza,localita' e momento. L'altra informazione indispensabile era il valore di sample rate (in campioni al secondo) ricavato dall'header del file.wav.

23cm Integration Process


L'integrazione dei dati consiste nel sommare gli effetti di blocchi successivi di campioni corrispondenti , come tempo, and un numero intero di periodi della pulsar (data folding) producendo un valore medio per ogni campione in modo da evidenziare segnali coerenti e periodici e di deprimere invece quelli randomici (rumore). La serie di valori medi e' tenuta su una tabella nella memoria del PC.
Piu' è lungo il periodo di osservazione piu' aumentano le possibilita' di "vedere" il segnale cercato. Alla fine di ogni ciclo di data folding un valore corrispondente al valore medio piu' piccolo e' sottratto ad ogni posizione della tabella. Il file .wav consiste in una registrazione a due canali con i valori I/Q prodotti dal Perseus con i quali viene calcolato il modulo del vettore poi integrato.

23cm Risultati dell'osservazione Pulsar


I primi tentativi non sono stati incoraggianti fino a che non si e' provato a variare il valore del sample rate facendolo diventare un parametro variabile di input.
La tempistica del perseus è pilotata da un oscillatore a quarzo che ,come si sa, e' soggetto a scostamenti di frequenza dal valore teorico dovuti a diversi fattori e quindi per la precisione richiesta dal processo di analisi dati non si puo' fare affidamento a quanto indicato nel .wav.
Tra i parametri di input e' prevista inoltre la definizione della larghezza nella finestra di osservazione in multipli interi del periodo pulsar insieme ad un valore per un effetto di smoothing nella presentazione del grafico.
Dopo parecchi tentativi finalmente si e' potuto apprezzare il flebile segnale ricevuto da cosi' lontano. Di seguito alcuni "screen shots" prodotti dallo stesso file di input con diversa lunghezza della finestra.
La durata dell'osservazione e' stata di circa 3 ore e mezzo per un totale di 94.4 Gbytes di dati raccolti.
La scala delle X espressa in millisecondi permette di vedere che la distanza tra gli impulsi corrisponde al periodo della pulsar (circa 0.714 secondi).
La scala Y (in db) ha come riferimento il valore del noise floor al termine completo dell'integrazione e da un'idea di quanto sia debole il segnale ricevuto.

1 Periodo


2 Periodi


5 Periodi




23cm Validazione dell'esperimento

Quanto presentato sopra e' il risultato di una singola osservazione (la prima fatta in quel modo) il metodo scientifico pretende pero' che i risultati siano ripetibilie ,possibilmente, con prove in negativo per essere sicuro di non aver preso granchi. Il primo tentativo e' stato proprio fatto con una lunga registrazione ed antenna "off target" puntata su un'area di cielo freddo. Tutti i tentativi di leggere qualcosa di assomigliante al segnale pulsar sono risultati vani. Solo rumore! Una successiva prova della durata di un'ora , questa volta con antenna verso la pulsar, ha fatto vedere nuovamente il segnale ma con un rapporto segnale /rumore poco gratificante. Una leggera pioviggine durante la registrazione potrebbe pero' giustificarlo. Finalmente con una registrazione di 3 ore e' stato possibile di veder un segnale ben definito e soltanto dopo pochi minuti di osservazione. Le immagini che seguono ne dimostrano il risultato. Da notare che l'analisi dei dati e' stata interrotta dopo circa 1800 secondi corrispondenti ai 2518 periodi osservati perche' continuando il processo il rapporto S/N invece che migliorare peggiorava. La motivazione e' dovuta al fatto che in questa stagione la B0329 + 54 e' accessibile ad una bassa elevazione (decrescente con il tempo) e l'antenna cominciava ad essere influenzata dal rumore terrestre quando al di sotto dei 20 gradi.

1 Periodo


Pulsar Data Processing

Il link punta ad una flash movie che visualizza l'andamento del processo di analisi dei dati fino all'emergere dal rumore di fondo dei segnali della pulsar.

Data Processing

La lunghezza della finestra era settata a 3 periodi di pulsar ed i files usati sono quelli prodotti dal Perseus ed utilizzati per la visualizzazione precedente.
La durata del filmato corrisponde alla durata reale dell'analisi dati (incluso il tempo di lettura files da disco).
Il tempo di osservazione corrisponde invece a 2517 periodi di pulsar ovvero a circa 1800 secondi.

K1JT, Suggerimenti

La conferma (e gratificazione) ricevuta a conferma dei miei sforzi e' stata pero' quella ricevuta da Joe Taylor (Premio Nobel proprio in tema di PulsarNobel) che ho osato coinvolgere con una domanda.

Egli si e' subito dimostrato interessato a quello che facevo e ha chiesto che gli mandassi I files con le mie osservazioni.
Avutoli , ed in breve tempo, mi ha fatto avere un primo riscontro con un grafico ed alcuni commenti:

K1JT Analisi 1



Questi sono I commenti a corredo che non mi permetto di tradurre:

"I folded the data into 128 equally spaced phase bins covering the full pulsar period, obtaining the average pulse profile shown in the attached plot.
Pulsar phase is shown in units of periods; the pulse was arbitrarily rotated to put the peak at phase zero, in the middle.
The average off-pulse noise power was measured and subtracted, and the power was scaled so that the rms noise on the plotted baseline is 1.0.
Thus, at the resolution indicated the observed signal-to-noise ratio is about 26. It's a beautiful set of observations!"

Ma non e' tutto, ho avuto spiegazioni e suggerimenti per una eventuale prosecuzione dell'attivita' che si possono condensare in 3 punti:

1) Non e' necessario conservare e lavorare sui miliardi di campioni registrati durante un'osservazione ma I files possono essere ridotti con un processo di decimazione.
La loro analisi risulta quindi estremamente facilitata e non si perde nulla in termini di informazione fino a che il singolo dato risulta essere una piccola frazione del periodo di pulsar.

2)I segnali provenienti dalle pulsar non sono costanti ma subiscono effetti di scintillazione nel mezzo interstellare di propagazione e con una opportuna analisi dei dati raccolti
è possibile pensare di tenere in conto solo I periodi piu'favorevoli al fine di favorire la rivelazione della pulsar.

Per meglio far capire il principio la spiegazione è stata corredata dal grafico ottenuti con I mie dati:

K1JT Analisi 2

L'asse verticale rappresenta la fase della pulsar (un intero periodo) mentre l'orizzontale l'intero tempo di osservazione (da 0 a 3.5 ore in questo caso).




Si identificano chiaramente due periodi piu' favorevoli uno all'inizio dell'osservazione ed uno alla fine, molto piu' tenue la traccia nel mezzo.

3) Come considerazione finale dall'aiuto di K1JT si evince che l'analisi off line dei dati nell'osservazione delle pulsar e' da preferirsi a complicati tentativi
di ottenere lo stesso in tempo reale.

Revisione del software

A seguito delle precedenti indicazioni ho provato a modificare il mio codice di analisi dati (fino ad ora abbastanza informe) in modo da renderlo un po' più strutturato
e con qualche accenno di flessibilità.

Interfaccia Iniziale

L'applicazione deve avere a che fare con file molto grandi che corrispondono al periodo di osservazione, l'ordine di grandezza supera I 100 Gb, e per rendere più
facile il compito è stata compilata in un ambiente windows a 64 bit (uso W8) .
Le interfacce grafiche sono tutte di tipo popup, quella iniziale permette di selezionare le funzionalità finora implementate:

Decimate




L'input richiesto consiste nella frequenza della pulsar al momento dell'osservazione, il rapporto di decimazione, il file .wav iniziale dell'osservazione e un titolo da associare all'operazione.
L'output prodotto consiste di un singolo file .dec con un header iniziale che contiene le informazioni necessarie per il processing successivo ed un array di valori float.
La successione di valori rappresentano (in potenza) gli original I+Q mediati secondo il rapporto di decimazione.

Integrate


Non ha un'interfaccia sua ma permette di selezionare uno dei .dec files disponibili da integrare in memoria secondo I periodi di pulsar richiesti.

Graph


Produce il grafico solido con I dati integrati contenuti in memoria (simile a quelli gia' presentati).
Ad esempio, il seguente è il prodotto della integrazione di 5 periodi sulla osservazione di mezz'ora :

Analyze


Un grafico ,forse, un pochino più elegante dei precedenti e con qualche informazione addizionale.
Il seguente è il prodotto di una integrazione di 10 periodi su 3.5 ore di osservazione con un file decimato 1/100.

10 Periodi sono visibili perfettamente.

Observation Check


Questo è un tentativo di replicare la stessa analisi fatta da Joe, non sono sicuro che sia esente da errori tuttavia da comunque dei risultati.
I sola mezz'ora che puo ritenersi fortunata perchè la , sia pur tenue, traccia della pulsar e' fisibile praticamente per l'ntero tempo ed e' sufficiente per ottenere un discreto risultato.
Si notano forti impulsi di rumore nella parte iniziale che pero vengono assorbiti dal processo di integrazione.




A tutto questo devo pero' aggiungere che, nel tentativo di seguire I consigli di Joe, ho tentato (nella prova da 3.5 ore) a selezionare e conteggiare solo I periodi dove il segnale della pulsar era piu' forte.
Al contrario delle aspettative, il risultato finale non sembra averne avuto dei vantaggi mentre risultavano ancora visibili impulsi di rumore che il periodo, piu' corto, di integrazione non riusciva ad eliminare completamente.

E adesso?


Gia' ho fatto alcuni tentativi verso altri obiettivi, per ora lunico successo è stato il poter individurae la pulsar B1933 + 16 con un segnale indubbiamente piu' debole di B 0329 + 54.
Peccato che, per sbaglio, abbia cancellato tutti I files, e' rimasto solo uno screen shot di un risultato su 2 periodi:



E' una stella che compie circa 3 rivoluzioni al secondo ad una distanza stimata di circa 26000 anni luce da noi.
Spero di poter presto collezionare una migliore osservazione della stessa.

Un paio di registrazioni puntando alla B 0531 + 21 (pulsar del granchio) e alla B1822-09 non hanno dato risultati utili.
La pulsar del granchio produce deigli impulsi giganti ma purtroppo intercalati in modo imprevedibile con molti altri invece deboli per cui e' molto difficile da individuare.
B 1822 - 09 è presenta difficolta' di altro tipo, essendo nell'emisfero sud quindi con una bassa declinazione
il possibile tempo d'osservazione senza introdurre ground noise per la bassa elevazione dell'antenna e' breve riducendo cosi' la possibilitÓ di evidenziarla.

Naturalmente ci si riprovera'.