Proiecte Radio Astronomie

Jupiter este cel mai puternic emitator radio natural din sistemul solar, dupa Soare. Emisiile sale electromagnetice in banda HF — decametrice (DAM) — sunt produse de interactiunea campului magnetic jovian cu luna Io si cu particulele prinse in centura de radiatii. Frecventele principale sunt intre 10 si 40 MHz, cu varfuri in jurul valorii de 20.1 MHz.

Echipament necesar

• Dongle RTL-SDR V3 — ~30€, indispensabil pentru proiecte SDR low-cost
• Antena dipol 10m — lungimea totala aproximativ 14.86 m (λ/2 la 20.1 MHz)
• Cablu coaxial RG58 sau RG8X, maxim 10m pentru minimizarea pierderilor
• Balun 1:1 — recomandat la punctul de alimentare al dipolului
• Software: Radio-SkyPipe II (gratuit), SDR# sau SDR++ pentru vizualizare

Constructia antenei dipol

Dipolul este cea mai simpla si mai eficienta antena pentru aceasta aplicatie. La 20.1 MHz, o jumatate de lungime de unda masoara aproximativ 7.4 m pe fiecare brat. Am folosit sarma de cupru de 1.5 mm², suspendata la 5 m inaltime intr-o configuratie inversat-V pentru maximizarea unghiurilor de radiere spre orizont.

• Lungimea fiecarui brat: 7.43 m (formula: 142.5 / f_MHz)
• Unghiul inversatV fata de verticala: 30–45°
• Impedanta la punctul de alimentare: ~70 Ω (potrivire buna cu RG58 de 50Ω prin balun)

Software: Radio-SkyPipe II

Radio-SkyPipe este un software de data-logging si afisare strip-chart, ideal pentru radio-astronomie. Inregistreaza puterea semnalului in timp si permite identificarea vizuala a burst-urilor joviene — cresteri bruste de intensitate pe durata de secunde pana la minute.

Rezultate — primul burst detectat

Dupa 3 nopti de monitorizare (Jupiter era vizibil intre 22:00 si 04:00 UTC), am inregistrat prima data un eveniment clar: o crestere a puterii cu 8–12 dB fata de zgomotul de fond, cu o durata de aproximativ 4 minute. Coroborat cu predictiile de pe Radio-Jupiter-3 (software de predictie a ferestrelor favorabile), evenimentul coincidea cu o fereastra Io-A.

• Jupiter trebuie sa fie la mai mult de 30° deasupra orizontului
• Conditii ionosferice bune (fMUF > 20 MHz)
• Fereastra Io favorabila (Io-A, Io-B sau Io-C)

Proiectul demonstreaza ca radio-astronomia nu necesita investitii mari. Un setup de sub 100€ poate produce rezultate stiintifice reale, contribuind si la proiecte de tip citizen science precum NASA's Radio JOVE.

Soarele emite radiatii radio pe un spectru larg, de la frecvente joase pana la microunde. La 10.7 GHz (2.8 cm), fluxul solar este un indicator important al activitatii solare — indicele F10.7 este folosit zilnic de meteorologii spatiali. Surprinzator, un LNB Ku-band de 5–10€, destinat receptiei de sateliti TV, devine un radiometru solar excelent.

Principiul de functionare

Un LNB (Low-Noise Block downconverter) are o temperatura de zgomot de 50–100 K si un castig de 50–60 dB. Soarele, cu o temperatura de antena de cateva mii de Kelvin, produce o variatie detectabila a puterii la iesire atunci cand se afla in campul de vedere al antenei parabolice.

• Temperatura de zgomot LNB: ~75 K (modern single-feed)
• Temperatura Soare la 11 GHz: 10,000–50,000 K (dependent de activitate)
• Variatie detectabila: 0.3–2 dB in functie de diametrul antenei

Constructia sistemului

Am folosit o antena parabolica standard de 60 cm cu feed universal, un LNB cu NF ≤ 0.2 dB si un RTL-SDR conectat direct la portul IF al LNB-ului (cu alimentare de 13V DC prin bias-T).

• Antena: parabola 60 cm offset, castig ~36 dBi la 11 GHz
• LNB: Inverto Black Ultra, NF 0.2 dB, castig 55 dB
• Receptor: RTL-SDR V3 cu bias-T activat pentru alimentarea LNB-ului
• Software: SDR++ + script Python pentru logging putere

Tranzitul solar

Metoda de masurare este simpla: orientezi antena spre Soare si urmezi tranzitul sau zilnic. Cand Soarele intra in campul de vedere (beam-width ~3.5° la 60 cm si 11 GHz), puterea receptata creste vizibil. Prin integrarea curbei de putere si compararea cu valorile Standard Quiet Sun, se poate calcula fluxul solar.

Corelarea cu indicele F10.7

Am comparat masuratorile noastre cu valorile F10.7 publicate de NOAA Space Weather si am obtinut o corelatie de r = 0.89 pe un esantion de 30 de zile. In perioadele cu eruptii solare (flare clasa M sau X), cresterea puterii receptate este vizibila chiar si cu o parabolica mica.

• Flux solar linistit: ~100 sfu (solar flux units)
• Flux in perioada de maxim solar (2024): 180–250 sfu
• Flux in timpul unui flare X: poate depasi 1000 sfu temporar

Proiectul este accesibil oricarui radioamator cu o antena de satelit si un RTL-SDR. Costul total al sistemului: sub 50€, cu date stiintifice valoroase obtinute zilnic.

Cand un meteor patrunde in atmosfera la viteze de 11–72 km/s, ablationeaza si ionizeaza coloana de aer din urma sa — un "trail" ionic care persista intre zecimi de secunda si cateva secunde. Aceasta coloana plasma reflecta semnalele radio, actionand ca un reflector pasiv. Este principiul forward scatter, utilizat atat in comunicatii VHF pe distante lungi (Duș Meteori / MS), cat si in detectia pasiva a meteoritilor.

Radarul GRAVES — sursa perfecta

GRAVES este un radar militar francez de supraveghere spatiala, operand la 143.050 MHz cu o putere de cateva zeci de kW. Emite spre cer in directii precise, iar semnalul reflectat de trailuri meteorice poate fi captat la mii de kilometri distanta. Din Romania, semnalul reflectat ajunge la YO8TNB cu ecouri clare.

Echipament si configurare

• Receptor: RTL-SDR V3 sau orice SDR capabil de 143 MHz
• Antena: dipol simplu de 1m brat (λ/2 la 143 MHz) sau Yagi 3 elemente
• Software: SDR++ sau HDSDR + plugin spectrogram, sau Spectrum Lab
• Frecventa: 143.049 MHz (usor sub centrul pentru a vedea doppler shift)

Identificarea ecourilor

In vizualizarea spectrogram (waterfall), ecourile meteorice apar ca linii verticale scurte sau cozi cu shift doppler pe frecventa GRAVES. Un trail meteoric trecator apare ca un fulger alb de 0.1–2 secunde; un trail persistent (overdense) poate dura 5–30 de secunde si prezinta o frecventa usror variabila din cauza doppler-ului datorat vanturilor mezosferice.

Ploaia Perseidelor — August 2024

Am monitorizat ploaia de meteori Perseidele in noaptea de 11–12 august 2024. In intervalul 21:00–03:00 UTC am inregistrat 842 de ecouri detectabile cu durate peste 0.5 secunde, si 12 traileuri persistente cu durate de 3–28 secunde. Rata de varf a atins ~180 ecouri/ora, comparativ cu media de fundal de ~15 ecouri/ora din zilele normale.

• Ecouri totale (11-12 Aug): 842
• Traileuri persistente: 12
• Rata maxima: ~180 ecouri/ora (02:30 UTC)
• Durata maxima trail: 28 secunde

Metoda forward scatter pe GRAVES permite monitorizarea meteoritilor chiar si ziua si pe vreme innorata — avantaj major fata de observatiile vizuale sau video. Costul intregului sistem este practic zero daca ai deja un RTL-SDR.

La 1420.405 MHz (lungimea de unda 21.1 cm), hidrogenul atomic neutru din galaxia noastra emite radiatii radio prin tranzitia de spin a electronului in starea fundamentala. Aceasta "linie a hidrogenului" sau "linia 21 cm" a fost prezisa teoretic in 1944 si detectata experimental in 1951. Este una dintre cele mai importante frecvente din radio-astronomie — si poate fi detectata cu echipamente DIY accesibile.

De ce linia 21 cm?

• Hidrogenul este cel mai abundent element din univers (~75% din materia barionica)
• Norul de H I interstelar este transparent la radiatii vizibile, dar emite radio detectabil
• Prin masurarea shift-ului doppler al liniei, se poate determina viteza de rotatie a bratelor galactice
• Frecventa 1420.405 MHz se afla intr-o banda protejata international (ITU) — zgomot artificial minim

Componente hardware

• Antena parabolica 1.2 m — castig ~25 dBi la 1420 MHz, beam-width ~10°
• Feed Horn DIY — constructie simpla din cutie metalica pentru banda L (1–2 GHz)
• LNA (Low Noise Amplifier) — NF ≤ 0.5 dB, castig 20 dB, plasat imediat dupa feed pentru minimizarea pierderilor de cablu
• Filtru bandpass 1420 MHz — pentru eliminarea interferentelor GSM/LTE (banda 1800/2100 MHz)
• RTL-SDR V3 cu driver modificat pentru frecvente > 1 GHz (direct sampling dezactivat)

Constructia feed horn-ului

Feed horn-ul este o antena cu corneta metalica plasata in focarul parabolei. Am construit un horn simplu din tabla de aluminiu de 1mm: o cutie dreptunghiulara deschisa la un capat (apertura) si cu o proba coaxiala introdusa la λ/4 de la fundul cavitatii. Dimensiunile pentru 1420 MHz: apertura 100x80 mm, adancime 105 mm.

Rezultate — detectarea Caii Lactee

Primul test de orientare spre planul galactic (longitudine galactica l=120°, latitudine b=0°) a produs un spectru radio cu un varf clar la 1420.4 MHz — semnalul H I din norul local de hidrogen interstelar. Prin scanarea lenta cu parabolica de-a lungul planului galactic, am obtinut o curba de rotatie galacticaprimara, cu shift-uri doppler de ±20 km/s corespunzatoare diferitelor brate spiralate.

• Temperatura de antena detectata pentru H I: ~150 K (estimata)
• Shift doppler maxim masurat: ±22 km/s
• Timp de integrare per punct: 60 secunde
• Directii observate: l = 90°–150° la b = 0° (7 pozitii)

Proiectul radiotelescop este cel mai complex din aceasta serie, dar si cel mai satisfacator. Detectarea gazului interstelar din Calea Lactee cu o antena de 1.2 m si un RTL-SDR de 30€ este o realizare remarcabila — aceeasi fizica ca la marile radiotelescope ale lumii, la scara amatoriceasca.

Pe cerul radio, câteva surse punctuale sunt atât de puternice încât pot fi detectate cu radiotelescop DIY de 1–1.5 m. Cassiopeia A (Cas A) este rămășița supernova cu fluxul radio cel mai mare de pe cer — mai puternic chiar decât Centrul Galactic (Sgr A*) la frecvențele de 1–3 GHz. Este ținta ideală pentru primul test al oricărui radiotelescop amatoricesc.

Catalog surse radio detectabile DIY

• Cassiopeia A — 3C 461, flux ~2700 Jy la 1 GHz, rămășiță supernova (300 ani), constelația Cassiopeia. Coordonate: RA 23h 23m 26s, Dec +58° 48′
• Cygnus A — 3C 405, galaxie radio la 600 Mly, flux ~1600 Jy la 1 GHz. Constelația Cygnus. RA 19h 59m 28s, Dec +40° 44′
• Tau A / Nebuloasa Crab — M1, rămășiță pulsar, flux ~1000 Jy la 1 GHz. RA 05h 34m 32s, Dec +22° 01′
• Virgo A — 3C 274 / M87, jet relativist, flux ~230 Jy la 1 GHz

Strategia de detecție — metoda ON/OFF

Cu o parabolică de 1.2 m și LNA de 0.5 dB NF, temperatura de sistem este ~100 K. Fluxul Cas A la 1420 MHz este ~2200 Jy. Variația de temperatură de antenă așteptată este de aproximativ 5–8 K — detectabilă după o integrare de 30–60 secunde prin metoda ON/OFF switching:

• ON: antena orientată pe Cas A, se înregistrează puterea medie P_on
• OFF: antena deviată cu ~3° (un beam-width), se înregistrează P_off
• Diferența P_on − P_off normalizată cu temperatura sistemului dă fluxul în Jansky

Software recomandat

• GNU Radio Companion — pipeline de procesare semnal pentru integrare și afișare spectru
• SDR# cu plugin de logging putere medie pe bandă narrowband (1420.0–1420.8 MHz)
• Python + SoapySDR — control programatic pentru scanare automată ON/OFF

Rezultate — prima detecție Cas A

Cu parabolica de 1.2 m din proiectul anterior, orientată manual spre Cassiopeia A în noaptea de 15 Martie 2025 (tranzit la 00:42 UTC), am obținut o variație de +6.4 K față de fundalul cerul gol — consistent cu predicțiile teoretice. SNR post-integrare (60s): ~4.8 dB.

• Putere ON (Cas A în beam): −62.4 dBm
• Putere OFF (cer gol): −65.1 dBm
• Diferență: 2.7 dB ≈ 6.4 K variație temperatură antenă
• Flux estimat: ~2100 ± 300 Jy (consistentă cu valorile catalog)

SatNOGS (Satellite Networked Open Ground Station) este o rețea globală, open-source și open-hardware de stații de recepție sateliți. Proiectul, dezvoltat de Libre Space Foundation, permite oricui să contribuie la recepționarea de telemetrie de la sute de sateliți amatori și științifici. Cu un RTL-SDR și o antenă simplă, poți deveni un nod activ în această rețea mondială.

Sateliți accesibili cu echipament simplu

• NOAA-15/18/19 — sateliți meteorologici NOAA la 137.5–137.9 MHz, transmit imagini APT (Automatic Picture Transmission) în banda VHF. Imagini meteo la ~4 km/pixel.
• METEOR-M N2/N2-3 — sateliți meteorologici ruși pe 137.1/137.9 MHz, imagini LRPT cu rezoluție mai bună (~1 km/pixel)
• GOES-16/18 — sateliți geostaționari la 1691/1694 MHz, necesită parabolică de minim 60 cm
• ISS (RS0ISS) — Stația Spațială Internațională transmite APRS pe 145.825 MHz și uneori SSTV pe 145.800 MHz

Hardware pentru stație SatNOGS

• Receptor: RTL-SDR V3 sau Airspy R2 (mai mult dinamic range)
• Antena: QFH (Quadrifilar Helix) sau Turnstile — ambele pot fi construite DIY în câteva ore. Asigură polarizare circulară ideală pentru sateliți LEO.
• LNA: opțional dar recomandat — Nooelec SAWbird+ NOAA la 137 MHz, câștig +20 dB, filtru integrat
• Computer: Raspberry Pi 4 (2GB RAM suficient) cu SatNOGS Client software

Configurarea stației SatNOGS

Procesul de înregistrare a stației este simplu: creezi un cont pe network.satnogs.org, înregistrezi stația cu localizarea și echipamentul, instalezi SatNOGS Client pe Raspberry Pi și conectezi RTL-SDR-ul. Stația va programa automat trecerile de sateliți, va recepționa și va uploada datele în rețea.

Recepție imagini NOAA APT manual

Fără a participa neapărat la SatNOGS, poți recepționa imagini meteo manual în timp real:

• Folosești SDR# sau SDR++ cu modulația WFM la 137.620 MHz (NOAA-18)
• Înregistrezi trecerea (8–12 minute) în format WAV
• Procesezi cu WXtoImg sau SatDump pentru a obține imaginea APT
• Urmărești trecerile cu Gpredict sau heavens-above.com

Participarea la SatNOGS transformă recepția de sateliți dintr-o activitate hobby individuală într-o contribuție reală la știință. Stația YO8TNB acoperă o zonă geografică valoroasă din nord-estul României, completând rețeaua în această regiune.