Astropulse: un nuovo studio del cielo in cerca di ET
di Amir Alexander, The Planetary Society, Aggiornamento SETI@home 27 agosto 2008

Titolo originale:
"Astropulse: A Fresh Look at the Skies in Search of E.T."  
Traduzione in italiano di
Laura Morandi I2-3441 & Bruno Moretti Turri IK2WQA
Pubblicazione a cura di SETI ITALIA G. Cocconi
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I. Come pensano gli alieni
 
Se sei un membro di una civiltà aliena che tenta di comunicare attraverso le distanze incommensurabili dello spazio, come faresti? Non essendo un alieno è dura rispondere a questa domanda, ma puoi provare a fare ipotesi: potresti, probabilmente, mandare un segnale radio, che è estremamente veloce viaggiando alla velocità della luce, ed è relativamente facile da emettere. La tua radio trasmissione inoltre probabilmente sarebbe un segnale a banda stretta, che si distingue dai segnali su frequenze vicine e dal noise (rumore di fondo) naturale. In altre parole, se vuoi comunicare attraverso lo spazio interstellare probabilmente useresti la stessa tecnologia che lavora così bene per noi sulle distanze molto più corte della Terra: trasmissioni radio continue a banda stretta. Non pensi che gli alieni facciano la stessa cosa? 
 
Forse. Questo è quello che più ricercatori SETI hanno presunto fin dai primi giorni della ricerca e per quasi mezzo secolo. Di conseguenza, la maggioranza delle ricerche SETI si sono concentrate sul cercare qualche genere di segnale a banda stretta che emerga dal rumore cosmico a banda larga. SETI@home stesso è tipico a questo riguardo, perchè dedica la maggior parte del suo enorme potere di elaborazione tagliando il segnale grezzo registrato ad Arecibo in bande sottili ("canali") di dati dove un segnale a banda stretta si potrebbe nascondere.

Ma non è detto. Forse gli alieni, per ragioni loro, sceglierebbero di comunicare usando un tipo molto diverso di segnali. Invece di spedire una trasmissione continua a banda stretta, potrebbero scegliere di spedire degli impulsi a banda larga. Questi non sarebbero in rilievo sul rumore di fondo perché sono concentrati precisamente su una particolare lunghezza d'onda, ma perché sono molto corti e punteggiano lampi d'energia. Perché gli alieni sceglierebbero questo metodo e non il nostro? Chissà, dopotutto noi non siamo alieni e non possiamo immaginare le loro scelte tecnologiche. La cosa principale è ammettere che tale forma di comunicazione è possibile e praticabile, quanto le nostre familiari trasmissioni radio a banda stretta. E se gli alieni potrebbero usare tali segnali, ne consegue che i ricercatori SETI dovrebbero cercarli.

Con questo pensiero in mente, il direttore scientifico di SETI@home Dan Werthimer e il suo staff hanno lavorato sodo per molti anni per sviluppare un tipo nuovo di SETI@home con capacità nuove. Come il SETI@home tradizionale, il nuovo programma usa dati raccolti durante le osservazioni del cielo ad Arecibo. I dati sono divisi come prima, in unità di lavoro (work units) e spediti agli utenti per l'elaborazione, ed i computer degli utenti poi spediscono indietro i loro risultati alla sede centrale di SETI@home a Berkeley. La differenza è che, invece di cercare trasmissioni a banda stretta, il software cercherà lampi (bursts) a banda larga estremamente brevi, o "impulsi" (pulses), provenienti dalle stelle. Lo staff di Werthimer ha dato al nuovo progetto un nome diverso per distinguerlo dal SETI@home tradizionale: Astropulse.

II. Ricostruire un segnale radio alieno
 
"Cercare un segnale breve a banda larga è un processo completamente diverso dal cercare un tradizionale segnale a banda stretta" spiega Josh Von Korff, membro dello staff di SETI@home e responsabile del programma Astropulse. Il SETI@home tradizionale guarda la banda radio attorno alla linea dell'idrogeno neutro, tra 1.418,75 MHz e 1.421,25 MHz, ma il programma non esamina tutto in una volta gli interi 2,5 MHz di larghezza. Invece, affetta ciascuno dei dati grezzi in segmenti piccoli tipo 0,075 Hertz in ricerca di un segnale a banda stretta. La sfida è ricostruire poi il segnale originale compensando l'effetto Doppler causato dal moto relativo della Terra e del pianeta che origina il segnale. Siccome tale moto non è conosciuto, il programma cerca entro una gamma di possibilità diverse, in una vasta serie di differenti percentuali di moto (Doppler drift rates).

Il programma Astropulse guarda anche lui gli stessi 2,5 MHz attorno alla linea dell'idrogeno, ma non compensa l'effetto Doppler. Questo perché Astropulse cerca un segnale che coprirebbe l'intera larghezza di banda di 2,5 MHz, due milioni e mezzo di Hertz, più di trenta milioni di volte più larga del SETI@home tradizionale. Ogni spostamento Doppler nel segnale verrebbe comunque "spalmato" all'interno di questa banda larga, a formare parte del totale del segnale. Di conseguenza, non c'è nessun bisogno di compensare l'effetto Doppler come nel caso di un segnale a banda stretta.

Ma anche se Astropulse non ha bisogno di confrontarsi con lo spostamento Doppler, deve preoccuparsi di un problema diverso che non si pone nel SETI@home tradizionale. Questo è il fatto che le onde elettromagnetiche, incluso i segnali radio, viaggiano a velocità lievemente diverse attraverso lo spazio, in funzione della loro frequenza. Come abbiamo imparato a scuola, un segnale radio viaggia alla velocità della luce, ma ciò è letteralmente vero solo in un vuoto assoluto. Quando passa attraverso un mezzo la frequenza più alta viaggia lievemente più veloce della frequenza più bassa. Nella luce visibile conosciamo bene questo fenomeno come rifrazione, il familiare effetto dove un raggio di luce bianca è scomposto nei colori che lo compongono quando passa attraverso l'acqua o un prisma. Questo è causato dal fatto che i vari colori, che rappresentano lunghezze d'onda differenti, passano attraverso il mezzo a velocità lievemente diverse.

A prima vista sembrerebbe che questo fenomeno non potrebbe interessare le trasmissioni aliene attraverso lo spazio. È possibile che la luce sia colpita da acqua o prismi nel vuoto dello spazio interstellare? La risposta è no. Comparato col nostro denso ambiente terrestre, lo spazio interstellare certamente appare vuoto, ma è de facto lontano da un vero vuoto. È riempito soprattutto con concentrazioni diverse di atomi di idrogeno liberi, composti da un solo protone ed un solo elettrone. In molti di questi atomi il protone e l'elettrone si sono separati, dando luogo a particelle cariche chiamate ioni. Tutti insieme, atomi, ioni ed elettroni liberi formano il "mezzo interstellare" (ISM, InterStellar Medium) attraverso il quale il segnale radio deve passare.

Finché il SETI@home tradizionale cerca un segnale a banda stretta, questo non è un problema. Siccome l'intera trasmissione è concentrata in una frequenza stretta, tutto il segnale viaggia alla stessa velocità ed arriva sulla Terra nello stesso momento come singolo segnale coerente. Ma le ricerche di Astropulse per trasmissioni a larga banda sono "spalmate" attraverso 2,5 MHz dello spettro elettromagnetico. Noi possiamo pensare a tale trasmissione come a una combinazione di molti segnali a banda stretta su frequenze adiacenti che si presentano simultaneamente come un segnale solo a banda larga. A causa delle velocità differenti alle quali viaggiano le diverse frequenze (in conseguenza dell'attraversamento del mezzo interstellare), comunque la frequenza più alta del segnale arriverà sulla Terra prima delle frequenze più basse. Questo vuole dire che un impulso a banda larga che era forte e coerente quando è stato emesso, sarà disperso su un tempo di molti millisecondi quando è ricevuto sulla Terra. Nessun chiaro impulso sarà evidente e la trasmissione annegherebbe facilmente all'interno del rumore di fondo.

Il primo compito di Astropulse è invertire questo effetto dispersivo e ricostruire il forte segnale originale. Per fare questo, Astropulse utilizza l'algoritmo FFT (Fast Fourier Transform, trasformata rapida di Fourier), lo stesso usato dal SETI@home tradizionale. La FFT divide i dati grezzi in sottili fette a banda stretta che ricombina poi con le altre porzioni in funzione del tempo. Una fetta che contiene la lunghezza d'onda più lunga è combinata con una fetta di lunghezza d'onda lievemente più corta che è stata ricevuta poco prima, e così via, passo dopo passo, finché la lunghezza d'onda più corta del segnale (arrivata prima) è armonizzata al tutto. Se un forte impulso è stato disperso dall'attraversamento del mezzo interstellare, la combinazione di tutte queste fette lo ricostruiranno ed il segnale apparirà chiaramente, emergendo al di sopra del rumore di fondo.

C'è comunque un serio difetto in questo metodo. Per ricostruire adeguatamente un segnale in questo modo, noi dovremmo sapere il tempo/ritardo esatto tra la porzione di frequenza più alta e la porzione di frequenza più bassa del segnale. Se, per esempio, il tempo/ritardo attuale del segnale è di 4 millisecondi, ma Astropulse ha ricombinato le fette di frequenza più alte e più basse che sono state ricevute separatamente, solamente di 1 millisecondo, nessun impulso sarà rilevato.

L'unico modo di ricostruire un segnale a banda larga è sommare i suoi componenti a banda stretta prendendo in considerazione il tempo/ritardo corretto tra loro. Questo tempo/ritardo dipende dalla distanza coperta dal segnale attraverso il mezzo interstellare: più lunga la distanza, più grande il ritardo del tempo. Sfortunatamente noi non abbiamo nessun indizio sul dove sia localizzata una civiltà aliena, e quale distanza le sue trasmissioni devono coprire prima di essere ricevute sulla Terra. Non conoscendo la distanza, non conosciamo il tempo/ritardo nei segnali, e non possiamo ricostruire la trasmissione aliena.

La soluzione di Astropulse a questo problema è provare una serie intera di possibili tempo/ritardi diversi, uno dopo l'altro. In ogni caso, Astropulse tratta l'intera unità di lavoro cercando un segnale a banda larga combinando segnali a banda stretta ad un particolare intervallo di tempo. Il tempo/ritardo più corto che il programma prova tra la frequenza più alta e quella più bassa è 0,4 millisecondi, e il più lungo è dieci volte più grande: 4 millisecondi. Tra questi due estremi, Astropulse tratta ogni unità di lavoro quasi 15.000 volte!

III. Quanto è lungo un segnale corto?
 
Trattare ogni singolo pezzo di dati dall'inizio alla fine molte volte, richiede un ammontare gigantesco di potenza di calcolo che sarebbe impensabile per la maggior parte dei progetti scientifici. Solamente il calcolo distribuito di SETI@home, con i suoi milioni di volontari in tutto il mondo che fanno lavorare il programma sui loro computer, può concepire di analizzare ogni pezzo di dati con tale profondità e precisione. Ma anche questo non è abbastanza: dopo tutto questo lavoro ancora è possibile che noi falliremmo l'individuazione dell'impulso a banda larga speditoci dagli alieni, se non sappiamo quanto è lunga la durata del segnale originale.

Per esempio, supponiamo che gli alieni hanno spedito un segnale lungo 10 microsecondi, ma noi stavamo controllando solamente segnali lunghi 1 microsecondo. In tal caso noi non riusciremmo mai ad addizionare tutte le parti del segnale, e non vedremmo mai il chiaro picco (spike) che ci rivela che un impulso dallo spazio esterno è stato ricevuto. È vero anche l'opposto: se noi stessimo cercando segnali relativamente lunghi, mentre il segnale dura solamente una frazione di quel tempo, è probabile che l'impulso scomparirebbe nel rumore di fondo e non verrebbe mai scoperto. Tutto questo per dire che per trovare nei dati un segnale che dura un certo ammontare di tempo, noi dobbiamo cercare segnali che durano quell'ammontare di tempo, o molto prossimi.

Sfortunatamente, come non sappiamo dove sono gli alieni e su che distanze devono viaggiare i loro segnali, così noi non abbiamo nessun modo di sapere quanto tempo durerebbe il loro segnale. E così, ancora una volta, Astropulse prova una serie intera di possibilità una dopo l'altra: comincia con l'impulso più corto di 0,4 microsecondi, poi esamina 9 lunghezze supplementari di tempo, ognuna il doppio della precedente (0,4 microsecondi - 0,8 microsecondi - 1,6 microsecondi - 3,2 microsecondi - ecc.). Astropulse esamina tutte e dieci queste possibilità ed ogni volta tratta il set intero di dati per dare conto di un possibile tempo/ritardo diverso.

Ricapitolando: Astropulse tratta l'intero set di dati quasi 15.000 volte, ogni volta presumendo un tempo/ritardo diverso tra la porzione di frequenza più alta e quella più bassa del segnale. Ogni volta che il programma completa uno di questi 15.000 cicli, lo ritratta dieci volte cercando  segnali di lunghezze diverse. L'ammontare di tempo/computer coinvolto sarebbe davvero inimmaginabile per qualunque progetto diverso da SETI@home.

IV. Alieni e buchi neri
 
Come parte integrante di SETI@home, Astropulse è in primis una ricerca di trasmissioni intelligenti dallo spazio. Ciononostante, i ricercatori di SETI@home dicono che nessuno può sapere quello che davvero troverà Astropulse. Dopotutto, nulla di assomigliante a tale ricerca sistematica di segnali a banda larga dallo spazio è mai stata tentata prima. Astropulse finalmente scoprirà un elusivo segnale da una civiltà aliena? O forse scoprirà una fonte naturale di radioimpulsi a banda larga?

Dan Werthimer ed il suo gruppo hanno studiato attentamente questo problema, e su quali possibili fonti naturali per i segnali di Astropulse. Una possibilità è data dalle pulsar, stelle di neutroni che emettono forti trasmissioni radio. Le pulsar conosciute raramente producono segnali più brevi di 100 microsecondi, ma è possibile che Astropulse scoprirà una nuova classe di pulsar con periodi molto più corti.

Una possibilità più esotica è che Astropulse potrebbe registrare gli "aneliti morenti" dell'esplosione di buchi neri. L'astrofisico Martin Rees ha formulato una teoria secondo la quale è probabile che un buco nero, esplodente via radiazione di Hawking, produca un segnale molto forte, ma estremamente breve, rilevabile in gamma radio e potrebbe potenzialmente essere scoperto da Astropulse. C'è poi, chiaramente, la possibilità che Astropulse scopra qualcosa di completamente nuovo, che noi non possiamo immaginare in anticipo.

Come tutti i dati di SETI@home, i dati di Astropulse sono raccolti ad Arecibo durante le osservazioni condotte dal consorzio ALFA (Arecibo L-band Feed Array), usando il ricevitore multi-beam del radiotelescopio (Foto 1 e 2). I dati sono registrati e poi divisi in unità di lavoro di 8 MegaByte ciascuna che vengono spedite agli utenti di tutto il mondo per l'elaborazione. Siccome il software di Astropulse scarica automaticamente le unità di lavoro nei computer dei volontari, gli utenti non devono fare nulla per unirsi alla ricerca a banda larga.


Foto 1 - Il ricevitore multi-beam (bianco) installato all'interno del fuoco Gregoriano di Arecibo.
Credit: Courtesy of the NAIC - Arecibo Observatory, an NSF facility.


Foto 2 - Il fuoco Gregoriano (indispensabile per la correzione dell'aberrazione sferica) è la "chiocciola" appesa sotto la "gondola" del radiotelescopio di Arecibo, sospesa 150 metri sopra lo specchio principale da 305 metri.
Credit: Courtesy of the NAIC - Arecibo Observatory, an NSF facility.

Le prime unità di lavoro di Astropulse sono state rilasciate all'inizio di agosto, e gli utenti non vedranno un cambio significativo nel modo in cui SETI@home opera sui loro computer. Le unità di lavoro da 8 MegaByte di Astropulse sono più grandi delle unità del SETI@home tradizionale, e come abbiamo visto, subiscono un'analisi particolarmente intensiva. Gli utenti noteranno di conseguenza che prendono tempi di elaborazione più lunghi. Nel frattempo le unità di lavoro del SETI@home tradizionale continueranno ad essere inviate agli utenti assieme alle unità di Astropulse.

Astropulse sta ora correndo in cerca di segnali brevi a banda larga provenienti dallo spazio. Cosa troverà? Saranno i segnali a lungo cercati di una civiltà aliena? Scoprirà nuove pulsar, buchi neri o forse nuovi fenomeni naturali sconosciuti? Non lo sappiamo ancora. Ma, come Galileo che quattro secoli fa puntò il telescopio sul cielo notturno, Astropulse sta guardando i cieli in un modo nuovo e senza precedenti. Chissà cosa rivelerà?


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