Berichten

Schooltv onderzoekt pulsars met Dwingeloo Radiotelescoop

Gastauteur: Samayra Straal

ESERO NL en NTR Schooltv hebben voor leerlingen van de eerste en tweede klas voortgezet onderwijs (leeftijd 11-14 jaar) een video gemaakt over het elektromagnetisch spectrum om ‘onzichtbaar licht’ uit te leggen. We gebruiken daarbij de Dwingeloo Radiotelescoop (CAMRAS), de NOVA optische bank (bij ASTRON) en mijn onderzoek naar pulsars.

We beginnen de video met uitleggen wat pulsars zijn. Vervolgens leggen we het elektromagnetische spectrum uit met behulp van de NOVA optische bank. Het wordt duidelijk dat radiogolven een langere golflengte hebben dan zichtbaar licht. Daarna stemmen we af op pulsar B0329+54. De radiosignalen van die pulsar zijn ongeveer 3000 jaar onderweg voordat deze door de telescoop worden opgevangen.

Voor mij was het een heel spannende dag, niet alleen vanwege de Schooltv bemanning maar ook omdat Roy Smits en Harm Munk (CAMRAS/ASTRON) mij moesten leren hoe ik de radiotelescoop moet besturen. De medewerkers van de NOVA optische bank maakten een prachtige spectrum dat we konden gebruiken en de cameraman kon niet stoppen te spelen met de lamp en het prisma.

Video afspelen: druk op play knop

Bronnen:
www.ruimtevaartindeklas.nl/lespakketten/onderzoek-naar-pulsars
www.astron.nl/dailyimage/index.html?main.php?date=20160421

Copyright video: NTR 2015

Pulsarwaarneming met een eigen RTL-dongle

Op woensdag 13 januari heb ik geprobeerd met de Dwingeloo Radiotelescoop het signaal van een aantal pulsars op te vangen met een RTL-dongle. Als eerste heeft Paul Boven de schotel op pulsar PSR B0329+54 in het sterrenbeeld Giraffe gericht. Daarna heb ik het programma SDR# van SHARP gestart om een RFI stille band te vinden, bijvoorbeeld op 419 MHz (figuur 1).

Figuur 1 – SDR# van SHARP

Vervolgens heb ik SDR# afgesloten en het rtl_sdr.exe programma van Osmocom geopend. Na het starten van de meting met de juiste commando’s worden de data direct naar de harde schijf van mijn laptop geschreven. Mijn doel was een aantal opnames te maken en die thuis te analyseren om te zien of de pulsar te detecteren is met de dongle en hoe smal de bandbreedte kan zijn om nog succes te hebben. Hiervoor is de bandbreedte van de meting (in Herz = identiek aan de samplingfrequentie in Samples/second) ingesteld op oplopend 100 kHz (100 kS/s), 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz en 2 MHz. Elke meting duurde 2 minuten.

Naast PSR B0329+54 stonden ook de pulsars PSR B0531+21 (de pulsar in de Krabnevel), PSR B2154+40 en PSR B2217+47 op mijn waarneemlijst. Deze pulsars zijn opeenvolgend zwakker, hebben een bredere puls of hebben meer dispersie.

Maar na de eerste serie metingen van PSR B0329+54 hoorden we een vreemd geluid vanuit de machinekamer: er bleek dat een verzonken bout op de kopse kant van de as waar de slinger voor de handbediening zit zich had losgedraaid. Hierdoor hebben we de waarneemsessie moeten beëindigen.

De 2 MHz (2 MS/s) meting

Na analyse thuis bleek dat de weggeschreven data goed was en kon ik de volgende plaatjes maken met mijn eigen Python analyseprogramma dat het signaal opknipt in stukjes van een periode zodat je alle periodes bij elkaar op kan tellen. Als je de pulsperiode ongeveer weet, bijvoorbeeld 0,71 seconde (figuur 2a), dan krijg je een bepaald resultaat. Een ander resultaat krijg je met 0,72 seconde (figuur 2b). Het beste resultaat krijg je met vouwen met 0.714642471414 seconde (figuur 2c).

071s

Figuur 2a – 0,71 seconde

072s

Figuur 2b – 0,72 seconde

0714642471414s

Figuur 2c – 0,714642471414 seconde

optimal folding -18bins

Figuur 2d

Je kan dit zelf berekenen/benaderen door een programma te maken dat de beste signaal ruis verhouding berekent en in een grafiek uitzet (figuur 2d). Je kan ook het programma TEMPO gebruiken dat mede is geschreven door Joe Taylor (Nobelprijswinnaar, astronoom en radioamateur) die de Dwingeloo Radiotelescoop na de restauratie in 2014 heropende.

In figuur 2c staan de pulsen boven elkaar en kunnen ze opgeteld worden. Het resultaat staat in figuur 3a. De groene grafiek is gemaakt door alle lijnen bij elkaar op te tellen en de blauwe is gemaakt door alleen de lijnen met een puls bij elkaar op te tellen. Je kunt inderdaad in figuur 2c zien dat er een aantal periodes zijn die geen puls of een kleine puls bevatten. Dit komt door het scintillatie-effect, een effect dat lijkt het twinkelen van sterren. Dit radio-twinkelen ontstaat niet in de aardse atmosfeer maar wordt veroorzaakt door beweging van vrije elektronen in de interstellaire ruimte.

sum all-selected detail1

Figuur 3a – bandbreedte meting 2 MHz

dispersion2

Figuur 3b – bandbreedte 2 MHz gesplitst in 10 banden van 200 kHz

Het uiteindelijke plaatje lijkt nu compleet, maar dat is het nog niet. De grafiek blijkt nog steeds te breed. Dat komt doordat we bij de meting in een band van 2 MHz alle signalen bij elkaar opgeteld hebben. Als we de bandbreedte van de meting van 2 MHz opdelen in banden van elk 200 kHz en die onder elkaar zetten, zien we dat de pulsen niet op hetzelfde moment aankomen (figuur 3b). Een enkele puls bij 2 MHz bandbreedte was al zwak en door het opdelen in banden van 200 kHz wordt de puls nog zwakker, maar duidelijk is te zien dat de puls verschoven is in tijd. De hogere frequenties komen eerder aan dan de lage frequenties. Dit wordt dispersie genoemd; en dit wordt veroorzaakt door de vrije elektronen in de inter stellaire ruimte. Hoe meer elektronen er tussen pulsar en aarde zijn hoe meer vertraging. In dit geval blijkt de vertraging tussen het bovenste rode kanaal (419,9 MHz) in figuur 3b en het groene kanaal (418,3 MHz) 4,4 milliseconde te zijn. Op het onderste blauwe kanaal is geen puls zichtbaar. De lichtblauwe lijn onderaan in figuur 3b is de som van de 10 banden.

In de astronomie wordt de dispersie uitgedrukt in de dispersiemaat DM. In formule:

DM = K times frac{ triangle t}{ frac{1}{ f_{2} ^{2} } - frac{1}{ f_{1} ^{2} } }K = een constante
Δt = gemeten vertraging
f2 = laagste en f1 = hoogste frequentie waartussen de vertraging is gemeten

Voor deze meting komen we op DM = 24,4. In de literatuur vinden we 26,6 dus dit is een mooi resultaat voor een meting met een dongle.

Ik ben nog bezig om mijn programma dat de vorm van de puls berekent en tekent aan te passen zodat er voor de dispersie en de vertraging wordt gecorrigeerd.

Uit de pulsar periode kunnen we ook de diameter van de neutronenster berekenen en uit de dispersiemaat de afstand.

Het signaal bij een bandbreedte van 2 MHz lijkt zo goed dat je het wellicht ook direct met SDR# kan horen; ik heb dat nog niet geprobeerd.

De 100 kHz (100 kS/s) meting

Het blijkt moeilijk om bij 100 kS/s ofwel 100 kHz de pulsar nog te zien in de ruis (figuur 4a, kijk goed rechts van het midden) maar wellicht is mijn analyseprogramma niet goed genoeg. Als anderen een beter alternatief hebben dan hoor ik dat graag. Ik ben nog bezig om de individuele pulsen zo uit te lijnen dat ze netjes kunnen worden opgeteld en zo een beter resultaat geven. Dat blijkt lastig.

100b overview

Figuur 4a

100b select-normal

Figuur 4b

Je kan wel weer mooi zien dat niet elke puls aankomt, sommige lijnen vertonen geen puls. Als je toch alle pulsen zonder meer zou optellen dan werken die platte lijnen niet effectief mee aan de reconstructie.

Hier is de blauwe grafiek het resultaat van de optelling van alle lijnen en de groene grafiek de optelling van alleen lijnen die een puls bevatten. Ook hier zie je weer de pre- en de post burst om de hoofd puls heen. Er zijn diverse theorieën over, bijvoorbeeld een ring in ring kegel vanaf de pulsar. Zoek zelf maar eens op het web naar de laatste stand van zaken en de overeenstemmingen daarover in de wetenschappelijke literatuur.

De RTL-dongle

DSC01206-dongle

Figuur 5 – RTL-dongle met koelblok

Dit is de dongle, aan de soldeerzijde vlak geschuurd naar een idee van CAMRAS-er Hans Smit en geklemd op een omgekeerd koelblok uit een PC. Zo wordt de temperatuur drift (in gain en frequentie) zo veel mogelijk vermeden. Voor RFI vermindering heb ik nog een ferrietblok om de USB kabel geklikt.

 

Zelf meten en/of zelf rekenen

  1. Lees ook dit bericht groups.google.com/forum/#!topic/camras-forum/FSm7sBnChn4 op het CAMRAS-forum met de precieze gegevens wat te downloaden.
  2. Zelf meten gaat eenvoudiger door te werken met een commando. Daarvoor kan je een .bat file gebruiken bijvoorbeeld rtl_sdr -s 2e6 -f 419.0e6 -n 2e8 dump2000a.bin. De naam van de file is het commando, deze betekent: een samplingfrequentie van 2 MB/s op 419MHz, totaal 2M samples en noem de data file dump2000a.bin. Deze file is hier te downloaden www.parac.eu/downloads.htm.
  3. Als je het eerdergenoemde programma TEMPO wilt gebruiken kan je dat downloaden bij www.k5so.com/Pulsars_2015.htm (maar zie tijdelijke opmerking bij downloadpagina van K5SO).
  4. Wie zelf wil rekenen aan mijn metingen: de pulsardata staat in I & Q formaat op mijn website www.parac.eu/downloads.htm.
  5. Gratis SDR# en drivers zijn hier te downloaden www.rtlsdr.org/softwarewindows.

Wordt hopelijk vervolgd, Michiel Klaassen.

Oerol spoelt aan met Solar Sound Ensemble

Zaterdag 2 juli jl. spoelde een stukje Oeral festival aan bij de Dwingeloo Radiotelescoop. Een aantal kunstenaars onder de naam Solar Sound Ensemble onder leiding van geluidskunstenaar Andreas Oskar Hirsch heeft radioastronomische meetgegevens van CAMRAS omgezet in hun eigen interpretaties en hebben dit in een voorstelling bij de radiotelescoop aan het bezoekend publiek getoond. De data bestonden uit waarnemingen op een golflengte van 70 cm van pulsar PSR B0329+54 en waarnemingen van de achtergrondstraling. De data zijn door de kunstenaars omgezet in muziek en in beelden die op het oppervlak van de schotel werden geprojecteerd.

De voorstelling werd geïnitieerd vanuit het Centrum Beeldende Kunst Drenthe waar de bezoekers op de website entreekaartjes konden kopen.

Leerlingen van de school Stad en Esch uit Diever hadden een videoprojectie gemaakt die in twee zeecontainers op het ASTRON-terrein te zien waren. Daaraan voorafgaand waren zij overdag langs gekomen om kennis te maken met de radiotelescoop en Visual Moonbounce en op die manier tekeningen via de maan te versturen.

De bezoekers waren welkom vanaf 20:30 uur om de videopresentaties in de zeecontainers te bekijken en om bij en in de radiotelescoop uitleg te krijgen over de radiotelescoop, radioastronomie en CAMRAS. In de radiotelescoop werd een waarneming van eerdergenoemde pulsar gedemonstreerd. Daarna kon men op het gras een plekje uitzoeken. Het concert begon om 22:30 uur toen het langzaam en genoeg donker werd om op de schotel te projecteren.

 

Het hele concert is te beluisteren in onderstaande drie afleveringen (klik op de drie afbeeldingen).

Er kwamen zo’n 200 bezoekers af op dit evenement en om alles in goede banen te leiden werden de bezoekers op de parkeerplaats van Staatsbosbeheer opgevangen, waren er onder andere eco-toiletten geplaatst en was er zelfs catering aanwezig.

Het was een uitgelezen kans voor CAMRAS om zich bij een groot publiek te profileren. Veel CAMRAS-vrijwilligers droegen bij aan uitdelen van folders, verzorgen rondleidingen en op de veiligheid letten.

Foto’s CAMRAS en ASTRON (Harm-Jan Stiepel)

Eerste waarneming van een pulsar

Het weekend van 18/19 oktober was een druk weekend voor de Dwingeloo Telescoop. Van vrijdagavond tot zaterdagochtend was er een EME-contest en op zondag de open dag. Tussendoor, op zaterdagmiddag en -avond, waren Paul Boven (PE1NUT) en Pieter-Tjerk de Boer (PA3FWM) in de Dwingeloo Telescoop om weer eens wat radioastronomische waarnemingen te proberen, met in het bijzonder de hoop eindelijk een pulsar te kunnen ontvangen. Paul was dat al lange tijd aan het voorbereiden: uitzoeken wat voor technieken daarvoor nodig zijn en berekenen wat er met de Dwingeloo Telescoop mogelijk zou moeten zijn.

Een pulsar is een neutronenster die snel om z’n as draait en daarbij een bundel radiogolven uitzendt. Die bundel ‘zwaait’ dus door het heelal als ware het een kosmische vuurtoren. Kijkend (met de Dwingeloo Telescoop) vanaf de aarde naar zo’n pulsar zien dus we een periodieke, kortstondige toename van het ruisniveau (want een pulsar zendt geen mooie draaggolf, maar breedbandige ruis uit). Helaas is die ruistoename vrij gering in vergelijking met de achtergrondruis. Om de pulsar te kunnen waarnemen, moet je het ruisniveau dus heel precies kunnen meten, anders verdwijnt de periodieke toename (letterlijk) in de ruis.

Een ruisniveau precies meten doe je door over een grote bandbreedte te meten en gedurende lange tijd uit te middelen. Vroeger heeft men daarvoor ongetwijfeld fraaie analoge constructies gemaakt, maar tegenwoordig is het het handigst om de te meten ruis via een analoog-digitaal-omzetter digitaal te maken en dan daaraan met digitale hardware of met software te gaan rekenen.

Een eerste poging om een pulsar waar te nemen in juli, waarbij we de WebSDR-hardware gebruikten met 48 kHz bandbreedte, was helaas mislukt. Daarom hadden zowel Paul als ik nu zwaarder geschut meegebracht: AD-omzetters met tientallen MHz bandbreedte en daarachter een FPGA (programmeerbare digitale logica) voor de verdere verwerking. Helaas bleek Paul’s schakeling in de Dwingeloo Telescoop niet te werken (thuis wel, zowel vooraf als naderhand!) zodat we het uiteindelijk met alleen mijn bouwsel (dat eigenlijk voor kortegolfontvangst is ontwikkeld) moesten doen.

Omdat onze schakelingen niet direct op 70 cm of 23 cm werken, waren nog downconverters nodig:

  • voor 70 cm een in de Dwingeloo Telescoop aanwezige Rohde & Schwarz ontvanger met MF-uitgang;
  • voor 23 cm de LT23 transverter van Jan van Muijlwijk (PA3FXB) die eerder nog voor de WebSDR was gebruikt.

We hebben ons – en de Dwingeloo Telescoop – eerst maar eens op de sterkste pulsar aan het firmament gericht: PSR B0329+54 met een periode van 0,715 seconde en een pulsduur van 6,6 milliseconde. De eerste poging om deze waar te nemen op 70 cm waar hij in theorie een stuk sterker moest zijn dan op 23 cm mislukte. Maar op 23 cm lukte het wel en dat zag er in eerste instantie uit als in figuur 1.

img4861a

Figuur 1 – Eerste pulsarwaarneming door CAMRAS

De grafiek op de laptop is een wiskundige bewerking (Fouriertransformatie) van enkele minuten ontvangen ruisvermogen en het piekje geeft aan dat er ‘iets’ periodieks in zit met een periode van ruim 0,7 seconden. Daarmee is dan wel de aanwezigheid van de pulsar aangetoond maar eigenlijk wil je dan ook een grafiek maken van de pulsvorm zelf. Helaas is elke afzonderlijke puls te zwak om er een mooie grafiek van te maken, maar je krijgt wel een mooie grafiek als je een heleboel opeenvolgende pulsen als het ware over elkaar heen schuift en dan uitmiddelt. In de grafiek van figuur 2 zijn de groene stippen de individuele gemeten ruisniveaus en de rode lijn is het gemiddelde daarvan over in totaal 705 pulsen.

psr23e

Figuur 2 – De puls van pulsar PSR B0329+54 op 23 cm

Merk op dat in de ruwe data (de groene stippen) maar net te zien is dat er een periodieke verhoging in zit. Na uitmiddelen (de rode lijn) is goed te zien dat de pulsar 1 scherpe piek heeft, maar ook dat hij nog ‘schouders’ ervoor en erna heeft (wat ook uit de wetenschappelijke literatuur bekend is).

Na het succes op 23 cm lukte het ook om de pulsar op 70 cm uit de ruis te vissen. Daarbij kon nog een karakteristiek verschijnsel worden waargenomen: dispersie. Dat betekent dat de signalen van de pulsar niet op alle frequenties precies tegelijk op aarde aankomen: hoe lager de frequentie hoe langer het signaal door het interstellaire medium onderweg is. We hebben een meting gedaan in twee bandjes van elk 1 MHz breed, rond 437 en 441 MHz, met de grafiek in figuur 3 als resultaat.

psr70e

Figuur 3 – De puls van pulsar PSR B0329+54 op twee frequenties bij 70 cm (437 en 441 MHz)

Duidelijk is te zien dat de puls op 437 MHz circa 11 milliseconde later aankomt dan op 441 MHz. Anderzijds is de pulsvorm nu veel vager dan op 23 cm. Dat komt door diezelfde dispersie, want die zorgt ervoor dat ook binnen onze 1 MHz meetbandbreedte de puls al aanzienlijk is ‘uitgesmeerd. Daarmee is meteen ook een van de uitdagingen voor verdere waarnemingen duidelijk: om gevoeliger te kunnen meten (voor zwakkere pulsars) zouden we in nog meer bandbreedte willen meten, maar dan gaat de dispersie voor nog meer uitsmering zorgen. Daarvoor zal dus gecompenseerd moeten worden: er is een frequentie-afhankelijke vertraging nodig.

Een andere uitdaging is het feit dat het vooral op 70 cm moeilijk is om 1 MHz aan ‘schone’ bandbreedte te vinden, laat staan meer. De spectrumanalyzer laat zien dat er heel wat aardse signalen de opstelling binnenkomen. Hoe is nog onduidelijk, dus wellicht valt er met afschermen nog wat te winnen; anders zullen we moeten gaan filteren. Verder zou het voor demonstraties mooi zijn als we de gevoeligheid zover kunnen vergroten dat we de sterkste pulsar ‘live’ kunnen ontvangen in plaats van met een analyse achteraf, bijvoorbeeld op het gehoor of met een oscilloscoop.