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ASKAP: un primo sguardo al piano galattico della Via Lattea

Immagine ASKAP del campo SCORPIO a 912 MHz. Il mosaico copre una regione di circa 40 gradi quadrati. La sagoma dell’equatore galattico è definita da una serie di sorgenti compatte e regioni di idrogeno ionizzato (regioni H II), associate a siti di formazione stellare. Sono inoltre visibili diversi resti di supernova (SNR). Fuori dal piano galattico sono evidenti alcune strutture estese e luminose. Tra queste, la regione in alto al centro del campo comprende le regioni H II G345.45 + 1.50 e IC 4628. I riquadri bianchi sono zoom di alcuni oggetti rappresentativi, in senso orario, un SNR, una regione di formazione stellare con un Massive Young stellar Object, un’altra regione di formazione stellare e una coppia di SNRs. Crediti: G. Umana/INAF

Un gruppo di radioastronomi, guidati dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dall’Università di Macquarie di Sydney, ha effettuato le prime osservazioni radio di una vasta sezione del piano galattico della Via Lattea con l’Australian SKA Pathfinder (ASKAP), sviluppato e gestito dalla Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO). Nello specifico, la regione mappata dai ricercatori comprende tutta l’area della survey Stellar Continuum Originating from Radio Physics In Ourgalaxy (SCORPIO), uno dei numerosi progetti di esplorazione del più ampio programma Evolutionary Map of the Universe (EMU), che consiste nell’osservazione di tutto l’emisfero sud con ASKAP, uno dei precursori del progetto SKA. Le osservazioni, riportate in due articoli pubblicati sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, sono state effettuate nel 2018 con l’interferometro non ancora completamente dispiegato (15 delle 36 antenne erano allora operative) coprendo un’area totale di circa 40 gradi quadrati.

Nell’ambito delle attività preparatorie alla survey EMU, le antenne di ASKAP sono state puntate in direzione della coda della costellazione dello Scorpione. Il cosiddetto campo SCORPIO è stato incluso tra i primi target scientifici di ASKAP, grazie al lavoro preliminare condotto dal team italiano dell’INAF utilizzando l’Australia Telescope Compact Array (ATCA) che ha permesso di conseguire una serie di importanti risultati scientifici e di sviluppare competenze nella riduzione e analisi di dati radio del piano galattico. Dal campo SCORPIO sono state estratte più di 3600 sorgenti radio compatte, molte delle quali non classificate. Sono state rivelate tutte le sorgenti precedentemente classificate come regioni HII, zone ricche di idrogeno ionizzato associate a siti di formazione stellare, o come nebulose planetarie, ultime fasi evolutive di stelle di massa intermedia, e se ne sono scoperte di nuove, aumentando significamente il numero di oggetti appartenenti a queste diverse popolazioni galattiche. ASKAP ha inoltre permesso di rivelare molte sorgenti precedentemente indicate come radio quiet e di scoprire numerose sorgenti estese, non classificate e appartenenti alla classe delle cosiddette “bolle galattiche”,  che costituiscono un nuovo campione all’interno del quale individuare nuovi resti di supernova. 

Grazia Umana, principal investigator della survey e prima autrice di uno dei due articoli, nonché ricercatrice presso l’INAF di Catania, spiega: “SCORPIO è l’unico campo galattico finora osservato con ASKAP ed è quindi particolarmente importante per la caratterizzazione di alcune popolazioni galattiche, perché fornisce un solido livello di base da cui partire per progettare meglio alcuni aspetti della survey EMU. Oltre alla scoperta di numerose sorgenti radio galattiche, queste osservazioni hanno messo in evidenza la caratteristica unica di ASKAP di mappare oggetti complessi a varie scale angolari, peculiarità estremamente utile soprattutto nel caso di studi del piano galattico. Questo è frutto di un sapiente disegno dell’array che è sensibile sia ad oggetti compatti che ad emissione estesa e diffusa. Sulla base di questi primi risultati di osservazioni di piano galattico con ASKAP possiamo avere solo un piccolo assaggio delle potenzialità del progetto SKA nel campo della radioastronomia galattica”. 

Immagine composita di una porzione del campo SCORPIO. In verde i dati all’infrarosso raccolti da Spitzer/Glimpse, in rosso quelli raccolti da Herschel/Hi-GAL e in blu i dati radio raccolti da ASKAP. Sovrapponendo i dati infrarossi (che tracciano le polveri) alle mappe radio (che tracciano o il gas ionizzato o il sincrotrone), radio e infrarosso coincidono nelle regioni di formazione stellare, mentre nel caso di resti di supernova (SNR) è visibile solo il radio. Crediti: G. Umana/INAF

Il piano galattico è il luogo della Via Lattea in cui risiede il Sistema solare: contiene innumerevoli stelle, polveri e nubi di gas, nonché una notevole quantità di materia oscura. Studiare il piano della Via Lattea è da sempre uno degli obiettivi più importanti dei radioastronomi, ma la presenza di emissione diffusa nella Galassia rende  difficile ottenere immagini prive di artefatti: ciò riduce di fatto la qualità delle immagini finali rendendo l’analisi dei dati un compito particolarmente impegnativo. Molti di questi problemi sono stati mitigati utilizzando diversi approcci e algoritmi sempre più complessi, ma a causa della grande quantità di dati forniti da strumenti come ASKAP, l’intervento umano in ogni fase della riduzione dei dati non è possibile e ciò richiede un approccio diverso.

Simone Riggi, ricercatore presso l’INAF di Catania e primo autore dell’articolo di catalogo della survey, sottolinea: “In fase di riduzione dati si sono presentate numerose difficoltà perché le tecniche standard sono attualmente ottimizzate per campi extragalattici in cui l’emissione diffusa che permea il piano galattico non è presente. È stato pertanto necessario sviluppare nuove procedure per la calibrazione dei dati e definire nuove strategie in fase di acquisizione dei dati. Quanto imparato ci permetterà di contribuire al disegno della survey EMU, ottimizzandone il ritorno scientifico anche per la scienza galattica. Una parte importante del lavoro fatto con i precursori SKA è acquisire l’esperienza nella gestione dei dati rappresentativi del progetto SKA. Una sfida significativa con questi enormi set di dati, oltre la riduzione dei dati stessa, consiste nel trovare e classificare automaticamente le sorgenti radio”. 

Il campo SCORPIO è stato utilizzato come banco di prova per testare su dati reali e in presenza di emissione diffusa il tool di estrazione sorgenti CAESAR sviluppato dal team italiano. È stato prodotto un primo catalogo di radiosorgenti compatte e loro componenti, che verrà successivamente aggiornato quando saranno disponibili le nuove osservazioni ASKAP del campo SCORPIO con l’array completo, programmate per fine 2021. “I dati multifrequenza e l’atteso aumento della sensibilità e della risoluzione spaziale ci consentirà di misurare l’indice spettrale per tutte le sorgenti, consentendo ulteriori progressi nei nostri studi di classificazione”, aggiunge Riggi.

Una delle 36 antenne del radiotelescopio australiano ASKAP gestito da CSIRO (l’Agenzia scientifica australiana) presso il Murchison Radio-astronomy Observatory in Australia Occidentale. ASKAP è uno dei precursori del progetto SKA. Crediti: CSIRO/A. Cherney

Andrew Hopkins, a capo del progetto EMU per l’Università di Macquarie, afferma: “Anche i dati raccolti in quella fase iniziale di ASKAP dimostrano la sua eccellente sensibilità alle emissioni radio estese. Un risultato fondamentale per permetterci di rilevare queste importanti strutture nella Via Lattea, consentendo di approfondire la nostra conoscenza sulla formazione e l’evoluzione delle stelle nella Galassia”.

Il progetto EMU si estenderà anche a parte dell’emisfero nord, coprendo il 75% del cielo osservato alla frequenza di 1.4 GHz, con una risoluzione angolare e sensibilità migliori di quanto ottenuto finora. I ricercatori osserveranno una consistente frazione del piano galattico riuscendo a produrre un atlante a grande campo dell’emissione nel continuo radio della Via Lattea, con risultati senza precedenti in termini di sensibilità e risoluzione angolare, che avrà un grosso impatto negli studi della formazione stellare, della struttura galattica e dell’evoluzione stellare.

“Nuove osservazioni di ASKAP del piano galattico nell’ambito della survey EMU e successivamente con il progetto SKA ci permetteranno di esplorare tutta una serie di parametri osservativi con una altissima probabilità di scoprire nuove classi di oggetti. Il nostro obiettivo finale è quello di acquisire e consolidare le capacità e competenze in vista dello sviluppo dell’intero array di antenne del progetto SKA, in modo da essere per pronti e competitivi per guidare e partecipare agli SKA Key Science Projects (KSP) e per un pieno sfruttamento dei dati”, conclude Umana.

Per ulteriori informazioni:

ASKAP è una rete di radiotelescopi situata presso l’Osservatorio radioastronomico di Murchison nella regione desertica dell’Australia occidentale, dove da millenni risiede il  gruppo etnico aborigeno Wajarri Yamatji. Gestito e operato dall’Agenzia scientifica australiana CSIRO, ASKAP conta 36 antenne paraboliche da 12 metri di diametro con un’area di raccolta di 4000 metri quadrati: ognuna delle antenne ha richiesto dalle 13 alle 18 ore di assemblaggio. Trenta antenne sono disposte in un cerchio di 2 chilometri di diametro, mentre le restanti 6 antenne sono disposte a formare un triangolo Reuleaux con massima distanza dal centro di 6 chilometri. ASKAP è uno dei precursori del progetto SKA ed è operativo dal 2012, ma solo dal 2020 sono iniziate le osservazioni scientifiche ufficiali.

Pubblicazioni scientifiche:

  • L’articolo A first glimpse at the Galactic Plane with the ASKAP: the SCORPIO field, di G. Umana, C. Trigilio, A. Ingallinera, S. Riggi, F. Cavallaro, J. Marvil, R. P. Norris, A. M. Hopkins, C. S. Buemi, F. Bufano, P. Leto, S. Loru, C. Bordiu, J. D. Bunton, J. D. Collier, M. Filipovic, T.M.O. Franzen, M. A. Thompson, H. Andernach, E. Carretti, S. Dai, A. Kapinska, B. S. Koribalski, R. Kothes, D. Leahy, D. Mcconnell, N. Tothill, M. J. Michałowski, è stato pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
  • L’articolo Evolutionary map of the Universe (EMU): Compact radio sources in the SCORPIO field towards the galactic plane, di S Riggi, G Umana, C Trigilio, F Cavallaro, A Ingallinera, P Leto, F Bufano, R P Norris, A M Hopkins, M D Filipović, H Andernach, J Th van Loon, M J Michałowski, C Bordiu, T An, C Buemi, E Carretti, J D Collier, T Joseph, B S Koribalski, R Kothes, S Loru, D McConnell, M Pommier, E Sciacca, F Schillirò, F Vitello, K Warhurst, M Whiting, è stato pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.