Per la prima volta al mondo, un team dell’INAF ha dimostrato operativamente la tecnica della “super-risoluzione” su un radiotelescopio, grazie alla superficie attiva di SRT. Una tecnica che apre la strada a una nuova generazione di osservazioni radio ad alta precisione a costi ridotti.
Un occhio più acuto per scrutare i segreti del cosmo, senza dover costruire telescopi più grandi. Un team di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) ha realizzato la prima dimostrazione della super-risoluzione angolare mai ottenuta con un radiotelescopio a parabola singola, superando quanto, per decenni, è stato considerato un confine fisico invalicabile: il “limite di diffrazione”. Il risultato, ottenuto con il Sardinia Radio Telescope (SRT) dell’INAF da 64 metri di diametro, dimostra che è possibile distinguere dettagli e strutture astronomiche altrimenti difficilmente osservabili, aumentando artificialmente il potere risolutivo dello strumento senza modificarne il diametro e, soprattutto, con costi contenuti.
Luca Olmi, tecnologo dell’INAF e primo autore dello studio recentemente pubblicato sulla rivista Experimental Astronomy, commenta: “Il limite di diffrazione di un telescopio è stato erroneamente considerato insuperabile per molti decenni. Sebbene tale affermazione sia stata successivamente corretta sul piano teorico, il nostro lavoro dimostra per la prima volta, e in forma operativa, che tale limite è superabile. Suggeriamo, inoltre, un metodo per aumentare considerevolmente le capacità osservative e scientifiche di un telescopio, incrementandone il potere risolutivo”.
Mappe radio del resto di supernova Cassiopea A ottenute con il radiotelescopio INAF Sardinia Radio Telescope ad una frequenza di 20 GHz. Il pannello a sinistra mostra l’immagine ottenuta utilizzando la modalità di osservazione standard, mentre il pannello centrale rappresenta l’immagine elaborata ottenuta con la nuova modalità di osservazione a super-risoluzione. Per confronto, il pannello a destra mostra un’immagine d’archivio ottenuta con un interferometro radio (Very Large Array), a una risoluzione angolare paragonabile a quella della modalità a super-risoluzione di SRT. Sia la mappa dell’interferometro sia la nuova mappa di SRT mostrano dettagli della sorgente non visibili nell’immagine standard di SRT. Crediti: L. Olmi/INAF
Ciò che ha reso possibile questo primato è stata la superficie attiva del Sardinia Radio Telescope. “Il potere risolutivo di un telescopio è la capacità di distinguere dettagli molto piccoli o di oggetti celesti molto vicini”, spiega Olmi. “La risoluzione dipende direttamente dall’apertura (o diametro) del telescopio: maggiore è il diametro, più alto è il potere risolutivo, ed è normalmente limitato, appunto, dal processo fisico di diffrazione”.
Il metodo sviluppato e sperimentato dal team di ricerca dell’INAF consiste nell’aumentare artificialmente il potere risolutivo del telescopio senza aumentarne il diametro, ottenendo così la cosiddetta super-risoluzione. Aggiunge: “Anche un telescopio relativamente piccolo potrebbe avere, con questo metodo, lo stesso potere risolutivo di un telescopio più grande, al costo di una perdita accettabile di sensibilità. Questo, ovviamente, può aumentare le potenzialità osservative e scientifiche di un dato telescopio”.
Il concetto e il metodo implementati presso SRT, il più grande dei tre radiotelescopi italiani gestiti dall’INAF, si basano su una teoria proposta nel 1952 dal fisico italiano Giuliano Toraldo di Francia, che suggerì l’uso di filtri a zone concentriche (le cosiddette “pupille Toraldo”) per restringere il fascio di luce generato da un sistema ottico oltre i limiti classici della fisica. Composta da centinaia di pannelli mobili controllati da attuatori meccanici, la superficie attiva di SRT è stata programmata per emulare la geometria di una pupilla Toraldo. Questo ha permesso di modellare il fronte d’onda incidente e di ottenere un fascio di ricezione più stretto, garantendo una risoluzione angolare superiore durante la mappatura delle sorgenti celesti.
La radioastronomia sta attraversando una fase di transizione, in cui nuove tecnologie e approcci elettromagnetici stanno sostituendo i metodi standard di rilevamento dei segnali. Storicamente, il miglioramento della risoluzione angolare ha richiesto l’aumento del diametro del riflettore primario o l’impiego di complessi sistemi interferometrici, con conseguente aumento esponenziale della complessità ingegneristica e dei costi.
La sfida attuale è superare questi vincoli fisici attraverso soluzioni tecnologicamente avanzate ed economicamente vantaggiose, come l’impiego di sistemi di antenne (o array), il controllo del fronte d’onda incidente e l’uso di “metamateriali” (ossia materiali progettati per possedere proprietà elettromagnetiche non presenti in natura).
Il successo ottenuto su SRT rappresenta anche un risultato strategico per l’intero sistema delle antenne INAF. Grazie al recente ammodernamento finanziato dal Progetto Operativo Nazionale (PON) del Ministero dell’Università e della Ricerca, che ha introdotto tecnologie sofisticate come la metrologia di precisione e il supercalcolo, è stato possibile trasformare SRT in uno strumento unico al mondo. Questo ammodernamento non ha rafforzato solo il telescopio sardo, ma ha potenziato anche le antenne INAF da 32 metri di Medicina (Bologna) e di Noto (Siracusa). Olmi sottolinea come “l’implementazione della super-risoluzione permetterà infatti di ‘ringiovanire’ questi strumenti, estendendone la vita operativa e il potenziale scientifico, rendendo patrimonio strategico della comunità scientifica italiana innovazioni esportabili anche in ambiti non astronomici, come le comunicazioni satellitari”.
“Il nostro progetto mira a colmare una lacuna critica nella ricerca tecnologica radioastronomica, garantendo all’Italia un ruolo di leadership nello sviluppo di strumenti all’avanguardia per la ricerca radioastronomica”, conclude Olmi.
Per ulteriori informazioni
Progetto finanziato in parte dall’Unione europea – Next Generation EU, Missione 4 Componente 1 CUP C53D23001010006, e dal Techno Grant INAF 2023 CUP C13C23000690005, e realizzato grazie al supporto dello staff di SRT.
L’articolo “First demonstration of super-resolution with a single-aperture radio telescope“, di Luca Olmi, Carlo Migoni, Matteo Murgia, Renzo Nesti e Sergio Poppi, è stato pubblicato sulla rivista Experimental Astronomy.