Astronomia in cantina - OfficinaTurini

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For the English version please see: Astronomy under stairs
ASTRONOMIA IN CANTINA
di Manuele Turini

Fin da ragazzo sono un appassionato di astronomia, questa ha riempito i miei pensieri per anni poi inevitabilmente il corso della vita ti porta su vie assai frequentemente non scelte da te cosi anche le passioni tendono a sopirsi. Ma si sa il primo amore non si dimentica mai! E cosi ti puo’ capitare che sia la passione a cercare te. Per lavoro esamino molto spesso immagini di DARK prodotte da camera digitali raffreddate, infatti gia’ esaminando una immagine di dark si possono
verificare molte condizioni di funzionamento dello strumento e cosi che mi capita sovente di vedere le tracce che i raggi cosmici lasciano sui pixel del CCD quando vi impattano.
Non tutti i sensori CCD si comportano allo stesso modo ce ne sono alcuni che sono molto piu’ sensibili di altri, non so dire il perche’ ma probabilmente dipende dai differenti drogaggi usati nel silicio.
Non sono mai riuscito a stabilire una correlazione con l’ambiente o con qualche evento astronomico ma il fatto che taluni giorni la loro frequenza e’ maggiore mi ha sempre incuriosito. I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno a cui a la Terra e tutti noi siamo esposti. La scoperta dei raggi cosmici la si deve (scoperta contemporanea ma individuale) all’austriaco Victor Franz Hess e all’italiano Domenico Pacini con lavori pubblicati nel 1912. Prima che i raggi cosmici interagiscano con l’atmosfera terrestre sono in gran parte (95%) costituiti da protoni e da nuclei di elio (quasi il 5%); tuttavia anche elettroni ed altri nuclei leggeri, fotoni, neutrini ed in minima parte antimateria (positroni ed antiprotoni) fanno parte dei raggi cosmici primari. Giunte nell'atmosfera terrestre, tali particelle interagiscono con i nuclei delle molecole dell'atmosfera formando così, in un processo a cascata (vedi figura sotto),
 
nuove particelle proiettate in avanti, che prendono il nome di raggi cosmici secondari. Nel mondo esistono molti laboratori che si occupano di questo campo con tecniche di rilevazione molto diverse fra loro. Avendo pero’ io facile accesso a strumenti basati su sensori CCD ho deciso di utilizzare questi. Cosi circa due anni fa avendo a disposizione una camera digitale raffreddata equipaggiata con un FOS e finestra in berillio decisi di iniziare una serie di osservazioni. Decisi che avrei fatto una registrazione degli eventi 24 ore al giorno per una decina di giorni impostando un tempo di esposizione di 20s in binning 2x2 ad una temperatura operativa del sensore di 10⁰C. Per ridurre il rumore introdotto dalla corrente di buio mi sarebbe stato utile lavorare con una temperatura molto piu’ bassa del sensore CCD ma avendo questo un FOS incollato sopra e’ rischioso scendere al di sotto degli 0⁰C causa differenti coefficienti di dilatazione silicio+colla+vetro. Comunque nonostante la temperatura fosse abbastanza alta ho sempre avuto ottimi rapporti segnale/rumore. Ho scelto inoltre il binning 2x2 per ridurre la dimensioni delle immagini prodotte senza perdere superficie di rivelazione, bisogna considerare infatti che con questi parametri si producono piu’ di 4000 immagini al giorno per un totale 2.1 Gb/giorno!.  Inoltre non trascurabile e’ anche il tempo necessario al programma per estrarre dalle immagini gli eventi registrati per cui questa configurazione mi era sembrata un buon compromesso. Il risultato della campagna e’ stato molto interessante anche se ha aperto piu’ interrogativi che risposte.
 
Ebbene senza ulteriori preamboli Vi mostro il risultato, il grafico sottostante riporta il numero degli eventi nel tempo. Il grafico mostra circa otto ore di registrazione.
Forse a causa della grafica troppo compressa non ve ne siete ancora resi conto ma l’andamento presenta due modulazioni del flusso una veloce ed una assai piu’ lenta. E si ripete nei giorni successivi …

Non mi aspettavo di trovare una qualche sorta di “informazione” ma piuttosto un andamento caotico. Per cui dopo aver verificato la mia ignoranza o provato a chiedere aiuto ad alcuni ricercatori dei laboratori nazionali che si occupano di raggi cosmici.
Ecco alcune loro risposte:

“il flusso dei raggi cosmici varia in anticorrelazione con l'andamento giornaliero della pressione atmosferica, che durante le 24 ore (oltre ai cambiamenti su lungo periodo dovuti alle perturbazioni etc) va su e giu' in modo quasi sinusoidale e ha due massimi e due minimi.

se lei ha un barometro puo' misurare la pressione e vedere la correlazione precisa tra il suo conteggio e la pressione.

in quanto a variazioni di piu' breve durata, le cause possono essere molteplici, o qualche guaio strumentale o qualcosa di piu' fisico... o il tram che passa sotto casa...”

Un altro ricercatore mi ha risposto:

“Il rate di muoni varia tra 100 e 200 (dipende dalla quota: più atmosfera attraversano più è alta la possibilità di decadere, infatti sono particelle con vita media dell'ordine di due microsecondi, specie se poco energetici) per metro quadrato. Su questo numero ci possiamo mettere una mano sul fuoco.

Se riesci, prova a ripetere l'analisi alzando la soglia di discriminazione evento/rumore: prova a vedere se il flusso si uniforma(in allegato trovi la distribuzione di cosmici per campionamento che mi hai mandato... in effetti il flusso ti varia del 20% in media)...

Un'altra possibilità:

-fondo ambientale dovuto a interazioni con roba di bassa energia (alfa principalmente dovuti alla presenza di radon...) oppure metalli attivati, etc... : l'unico modo per eliminarlo sarebbe di mettere in coincidenza due rivelatori posti sulla verticale ad una distanza fissa.

In questo modo i cosmici passanti te li prendi tutti (chiaramente a quel punto dovresti considerare l'accettanza angolare), mentre l'immondizia alfa darà segnale nei due in maniera completamente scorrelata -cambia stanza!”

Questo ultimo ricercatore mi ha mandato anche una sua elaborazione dei dati grezzi che gli ho inviato dove si evince la modulazione.
 
A questo punto mi rendo conto che occorre una grande quantita’ di tempo per cercare di approfondire il problema e stilo un programma di successive verifiche e misure da effettuare. Purtroppo pero’ sono passati due anni dalla prima osservazione ed il tutto e’ rimasto al punto di partenza, forse e’ ragionevole dedurre che non ho o non mi posso permettere di spendere del tempo per questa indagine del resto gia’ la prima campagna era stata eseguita in un periodo di ferie. Mi sarebbe piaciuto pubblicare i risultati di questa indagine con un minimo di certezze in piu’ a questo punto pero’ meglio condividere quello che si ha. La speranza, ovviamente, e’ che qualche astrofilo prosegua nell’indagine. In definitiva come attivita’ osservativa presenta diversi vantaggi, lo si puo’ esercitare anche in cantina 24 ore al giorno, utilizzando anche sensori di un grade basso e si puo’ usare anche una normale CCD raffreddata anche se questa avra’ preferenza ad interagire solo con particelle ad alta energia.

Vi illustro in dettaglio come e’ stato realizzato l’esperimento.
 
La camera digitale impiegata
 
Avevo a disposizione una camera digitale raffreddata a 16 bit dotata di un sensore 1024x1024 pixel con una dimensione di questi di 24 um quindi la mia area utile di osservazione era di 24.5x24.5 mm. Inoltre sul sensore era stato incollato un FOS (Fiber Optic Scintillator). Questa camera e’ nata per applicazioni con raggi X a bassa energia (8-40Kev) ma si e’ dimostrata utile in questa applicazione in quanto  il silicio interagisce direttamente con la radiazione ad alta energia mentre lo scintillatore converte in luce la radiazione a bassa energia che difficilmente interagisce con il silicio del sensore. Come si vede dalla figura il FOS e’ realizzato utilizzando un FPO (Fiber Optic Plate), in pratica un pacco di fibre ottiche da pochi micron, che semplicemente trasporta la luce generata dallo scintillatore direttamente sui pixel del CCD. Gli scintillatori in commercio sono di svariati tipi, nel mio caso avevo del solfuro di gadolinio (Gd2O2S) un cristallo inorganico in grado di produrre fotoni a 550 nm quando interagisce con una particella od un fotone altamente energetico con una efficienza sul trasferimento di energia maggiore del 10%. Inoltre la camera aveva una finestra in berillio che e’ molto trasparente alle particelle ed oscura completamente la luce ambiente. E’ possibile utilizzare anche una sottile (0.1mm) lamina di alluminio o plastica al posto del pericoloso berillio (e’ cancerogeno).
 
Installare un FOS sul sensore CCD e’ una operazione costosa e vi sconsiglio vivamente di tentare in proprio una cosa del genere causa sicuro danneggiamento del sensore, per cui vi consiglio di lavorare direttamente con un sensore CCD oscurato, sensori con pixel grossi sono ottimi.
 
Altro punto rilevante e’ l’elaborazione dei dati, occorre infatti estrarre il numero dei conteggi dalle immagini acquisite. Giusto per dare l’idea di che cosa stiamo parlando e soprattutto che razza di immagini vedremo vi riporto qui sotto una tipica esposizione di 20s realizzata con la suddetta attrezzatura:
Le tracce bianche sono il segnale che i raggi cosmici creano. In 3D (luminanza sull’asse Z) si evidenzia meglio una interazione presente nell’immagine (cerchietto nero):
Per l’analisi delle immagini alla ricerca di eventi ho scritto un programmino in javascript che per ogni immagine esegue le seguenti operazioni:
 
  1. Sottraggo dall’immagine grezza una dark mediata
  2. L’immagine corretta viene analizzata in blocchi di 10x10 pixel
  3. Si calcola la deviazione standard del blocco in esame
  4. Se la STD supera la soglia prefissata si calcola il centroide e l’area dell’ evento.
  5. Se l’area e’ maggiore di un pixel e non sono presenti pixel saturati si conta un evento
  6. Si passa al blocco successivo e torno al punto 3
 
Qui sotto si vedono alcune stringhe prodotte dal programma durante l’analisi.
 
Frame:    9, Event   15 @ X =  165.000, Y =  177.000, V =   266, A =    1
Frame:    9, Event   16 @ X =  440.000, Y =  206.718, V =   563, A =    2
Frame:    9, Event   17 @ X =  437.529, Y =  218.473, V =   217, A =    4
Frame:    9, Event   18 @ X =  439.000, Y =  223.000, V =   615, A =    1
Frame:    9, Event   19 @ X =  296.542, Y =  256.427, V =   252, A =    4
Frame:    9, Event   20 @ X =  352.000, Y =  284.000, V =   377, A =    1
Frame:    9, Event   21 @ X =  153.000, Y =  297.000, V =   690, A =    1
 
Alla fine lo script genera un file di testo con I conteggi registrati e visualizza un grafico con gli stessi. Nell’immagine sottostante si evidenzia le aree del chip che piu’ sono rimaste coinvolte (nell’arco di 8 ore) come numero di eventi  ed e’ la dimostrazione che su tempi brevi la sfiga esiste!
In conclusione, l’introduzione delle camere CCD in astronomia amatoriale ha effettivamente portato una grande capacita’ di esplorare lo spazio che ci circonda anche agli astrofili, sinceramente non so quanto questa tecnica di rivelazione dei raggi cosmici risulti efficiente rispetto ad altri tipi di tecnologia certo se gia’ disponiamo di una camera che usiamo per l’ottico e’ facile utilizzarla anche per questo scopo senza apportare alcuna modifica e magari chissa’ potremo registrare l’interazione con protoni provenienti da una lontana galassia …
 
Le misure sono state fatte nell'agosto 2008.


Riferimenti:
 
D. Pacini (1912). La radiazione penetrante alla superficie ed in seno alle acque . Il Nuovo Cimento Serie VI, Tomo 3: 93-100.
F. Hess (1912). Uber Beobachtungen der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten . Physikalische Zeitschrift XIII: 1084-91
Bruna Bertucci, I raggi cosmici, Le Scienze n. 494 (ottobre 2009), pp. 64-71
R.G. Harrison and D.B. Stephenson, Detection of a galactic cosmic ray influence on clouds, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 07661, 2006 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-07661
C. D. Anderson and S. H. Neddermeyer, Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level, Phys. Rev 50, 263,(1936).
M. Boezio et al., Measurement of the flux of atmospheric muons with the CAPRICE94 apparatus, Phys. Rev. D 62, 032007, (2000).
R. Clay and B. Dawson, Cosmic Bullets, Allen & Unwin, 1997. ISBN 1864482044
T. K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990. ISBN 0521326672
P. K. F. Grieder, Cosmic Rays at Earth: Researcher’s Reference Manual and Data Book, Elsevier, 2001. ISBN 0444507108
A. M. Hillas, Cosmic Rays, Pergamon Press, Oxford, 1972 ISBN 0080167241
J. Kremer et al., Measurement of Ground-Level Muons at Two Geomagnetic Locations, Phys. Rev. Lett. 83, 4241, (1999).
S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles, Phys. Rev. 51, 844, (1937).
M. D. Ngobeni and M. S. Potgieter, Cosmic ray anisotropies in the outer heliosphere, Advances in Space Research, 2007.
M. D. Ngobeni, Aspects of the modulation of cosmic rays in the outer heliosphere, M.Sc Dissertation, Northwest University (Potchefstroom campus) South Africa 2006.
D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003. ISBN 0198509510
C. E. Rolfs and S. R. William, Cauldrons in the Cosmos, The University of Chicago Press, 1988. ISBN 0226724565
B. B. Rossi, Cosmic Rays, McGraw-Hill, New York, 1964.
Martin Walt, Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation, 1994. ISBN 0521431433
J. F. Ziegler, The Background In Detectors Caused By Sea Level Cosmic Rays, Nuclear Instruments and Methods 191, 419, (1981).
TRACER Long Duration Balloon Project: the largest cosmic ray detector launched on balloons.
 
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