Partnership
SETI@home ITALIA NEWSletter scientifica # 06 del 28.02.2001
Distinguere possibili segnali extraterrestri dal rumore e dalla RFI
di Eric Person, Dan Werthimer, Jeff Cobb, Matt Lebofsky
Titolo originale: "Distinguishing Possible Extraterrestrial Signals From Noise and RFI"
Traduzione in italiano di Antonio Gerli & Bruno Moretti Turri IK2WQA
Pubblicazione a cura di SETI ITALIA G. Cocconi
Hai un computer? Partecipa con noi alla ricerca scientifica!
Grazie alla potenza di calcolo fornita dai milioni di partecipanti a SETI@home ogni giorno
viene individuato un incredibile numero di segnali interessanti.
Ad esempio, i partecipanti a SETI@home hanno rilevato un totale di 478.716 picchi
(spikes, segnali forti) nei dati raccolti dal radiotelescopio di Arecibo in un periodo di 16 ore
il 13 novembre 2000. Questo numero di picchi è tipico di ogni periodo di 16 ore.
Chiaramente ci aspettiamo che la maggioranza di questi picchi sia originata da rumore di fondo
(noise, radioonde di emissione naturale) o dalla Terra (interferenza da radio frequenza - RFI),
non da una civiltà extraterrestre. Ma come possiamo distinguerle?
In questa newsletter mostreremo alcune caratteristiche comuni dei picchi rilevati dai client
SETI@home e mostreremo anche alcuni metodi per separare i segnali generati dal rumore
o dalla RFI da quelli che sono interessanti per la loro (possibilmente extraterrestre) origine.
Una cascata
Cominciamo dando un'occhiata più da vicino ai picchi menzionati poco più sopra.
Per renderci conto di come questi picchi siano distribuiti, abbiamo tracciato su di un grafico
ogni picco in base al tempo ed alla frequenza al quale è stata rilevato.
La figura 1 mostra i picchi rilevati, con la frequenza (in unità di MHz) lungo l'asse orizzontale (x)
e con il tempo (in secondi a partire dall'inizio del periodo di 16 ore) lungo l'asse verticale (y).
Questo tipo di grafico è chiamato "a cascata", perché il suo aspetto ricorda quello di un velo
di acqua cadente.
Nota inoltre che l'intensità del segnale (o "potenza" - "power") di ogni spike ha un codice di colore:
Quindi, le spikes più forti rilevate nei dati sono blu, mentre le più deboli sono marroni.
Le spikes più forti sono quasi certamente di origine terrestre, dato che richiedono grosse quantità
di energia per essere generate, e l'intensità di un segnale in arrivo dallo spazio profondo dovrebbe
dissiparsi considerevolmente nel raggiungere la Terra.
Riduzione della densità della cascata: visualizzare le spikes ad una specifica lunghezza di FFT
Ci sono così tanti segnali mostrati nella figura 1 che l'immagine è troppo affollata per poter
distinguere un qualsiasi schema nei dati. Se invece selezioniamo un sottoinsieme dei dati,
come per esempio solo quelle spikes rilevate ad una lunghezza di FFT di 16k,
il grafico diventa meno affollato e cominciano ad emergere degli schemi.
La figura 2 mostra solo le spike rilevate ad una lunghezza di FFT di 16k (un totale di 17.464 spikes).
Nota le linee verticali a 1.419 e 1.421 MHz.
I segnali rilevati a queste due frequenze non arrivano dagli extraterrestri;
invece si tratta di segnali di controllo (anche chiamati "uccellini","birdies") che immettiamo apposta
nel ricevitore del radiotelescopio per essere sicuri che la strumentazione ed il software lavorino
correttamente. Nota inoltre che ad una lunghezza di FFT di 16k riceviamo principalmente segnali
con una intensità inferiore a 100.
La distribuzione della potenza delle spike
Diamo un sguardo più approfondito alla potenza del segnale delle spike.
La figura 3 è un istogramma che mostra il numero di spike scoperte a diverse intensità.
Avvisiamo che l'asse verticale (y) ha una scala logaritmica in base 10.
Le scale logaritmiche sono utili per esporre dati con serie molto lunghe, come nel caso in cui
il numero delle spike ad una determinata potenza varia da 0 a 100.000.
Avvisiamo anche che il limite superiore dell'asse orizzontale (x) è 1.000.
Noi vediamo dai punti blu che appaiono in Figura 1 quelle potenze di spike che puossono avere magnitudini
oltre 100.000. Infatti, non c'è limite superiore alla potenza che una determinata spike può avere;
ci sono spike in questo esempio con potenze che si estendono oltre 13 cifre. Questa potenza
è troppo grande anche per una scala logaritmica e le spike di bassa potenza sarebbero raggruppate
tutte sulla sinistra e sarebbe difficile discernere dei modelli. La stragrande maggioranza delle spike
ha potenze inferiori a 200, ergo noi restringiamo la potenza a 1.000 così da vedere più chiaramente
la distribuzione delle spike.
Come puoi vedere, la Figura 3 ha un modello molto interessante.
I picchi più alti sulla sinistra del grafico sono localizzati alle potenze di 44, 88 e 176, derivanti
da spike scoperte da analisi che usano lunghezze di FFT di 32k, 64k e 128k, rispettivamente.
Come aumenta la lunghezza di FFT, la potenza dei segnali è più alta; questo compensa il fatto
che i valori sono amplificati per le analisi a FFT lunga.
Quindi, analisi compiute ad una lunghezza di FFT di 128k non scopriranno segnali più deboli
di 176, ecc. Analisi che usano FFT più lunghe sono migliori per rivelare spike a banda stretta
che vedi alte nel grafico. La gobba sulla destra del grafico, approssimativamente con una potenza
di 700, è il segnale di prova che noi iniettiamo (lo stesso segnale prova visibile in Figura 2).
Questo segnale prova ha prodotto una gobba in Figura 3 piuttosto che una vetta acuta perché
può variare in termini di potere relativo. (La media è 700, ma una prova singola può essere
più debole o più forte di 700.)
Se noi rimuoviamo questi "uccellini" di prova dai dati, la gobba scompare, come mostrato in Figura 4.
Distribuzione della potenza ad una lunghezza di FFT di 128k
Esaminiamo un sottoinsieme della distribuzione delle potenze, prendendo solo le spikes rilevate
dalle analisi usando una lunghezza di FFT di 128k, con i segnali di controllo rimossi.
La Figura 5 mostra la distribuzione dell'intensità di questi segnali.
Come già menzionato, un'analisi di SETI@home usando una lunghezza di FFT di 128k riporta
solo le spikes con potenza superiore a 176.
Nota la piccola gobba sulla sinistra del grafico, centrata su di una potenza di 95.
Non abbiamo ancora alcuna spiegazione per queste spike.
Che tipo di distribuzione ci si dovrebbe aspettare dal rumore?
Nella Figura 5 qui sopra, molte spikes sono rilevate appena sopra il limite di 176,
sempre meno segnali sono rilevati a potenze superiori. Si rileva che questa caduta esponenziale
segue lo stesso schema di distribuzione di un Chi quadrato con due gradi di libertà.
E' interessante notare che la distribuzione di potenza che ci si aspetterebbe dal puro rumore
segue anch'essa questo stesso schema. Di conseguenza, la stragrande maggioranza di segnali
che seguono questo schema possono essere attribuiti al rumore.
Molti dei segnali rimanenti che non seguono lo schema del rumore (come l'eccesso di segnale
con potenze fra 225 e 500) sono principalmente (se non addirittura integralmente) dovuti
ad interferenza da radio frequenza.
Fortunatamente, il numero di questi segnali di RFI è molto basso (circa 1% dei segnali rilevati).
Naturalmente un segnale extraterrestre potrebbe essere infilato da qualche parte nello schema
del rumore o nella parte che noi attribuiamo alla RFI. Ulteriori analisi vengono fatte
per determinare quali spikes (se ve ne sono) derivano costantemente da specifiche locazioni celesti.
Una spike che si ripete regolarmente dalla direzione di una determinata stella, ad esempio,
sarebbe un candidato per un'origine extraterrestre. In questa maniera speriamo di separare
segnali prodotti da una civiltà extraterrestre dai segnali causati dal rumore, da eventi sulla Terra,
da satelliti o da eventi astronomici naturali.
Conclusioni
Delle 478.716 spikes di cui ci siamo occupati in questa newsletter, circa il 3%
sono segnali di controllo ("uccellini") che noi stessi immettiamo nei dati,
e circa il 96% segue uno schema attribuibile al rumore.
Attualmente attribuiamo il restante 1% dei segnali alla RFI ed alle anomalie tecniche
(la piccola gobba nella Figura 5 potrebbe rivelarsi come una di queste anomalie).
Analisi più sofisticate sono in corso per determinare quale di questi segnali arrivi
costantemente da una posizione specifica del cielo,
caratteristica che potrebbe indicare una comunicazione extraterrestre.
Torna a SETI@home NEWSletter scientifiche
Torna ad Articoli scientifici del SETI italiano
Torna alla home page di SETI ITALIA G. Cocconi
Copyright © 2008 University of California
Versione italiana Copyright © 2008 Bruno Moretti Turri
I documenti, i grafici e le immagini pubblicati su tutto questo sito sono copyrighted.
Collegamenti (links) a questi documenti sono permessi e incoraggiati.
Nessuna copia può essere fatta senza permesso scritto rilasciato dal webmaster via email