INTRODUZIONE AL SETI, DIFFICOLTA’ E STRATEGIE FUTURE. S. Montebugnoli SETI Advisor DS INAF (Già responsabile Stazione di Medicina e Croce del Nord) 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

Introduzione al programma SETI. Principali difficoltà del programma. Strategie future. 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

Attività SETI a Livello Nazionale svolte fino ad oggi: INTRODUZIONE AL SETI IL SETI RICERCA POSSIBILI TRACCE DI SEGNALI ELETTROMAGNETICI, PROVENIENTI DA UN’ EVENTUALE CIVILTA’ EXTRATERRESTRE… LE ATTUALI OSSERVAZIONI SETI SI BASANO SULL’IPOTESI CHE SE UNA CIVILTA’ EXTRATERRESTRE VUOLE “FARSI NOTARE”, CI INVII UNA PORTANTE RADIO O UN RAGGIO LASER, IN QUANTO SEGNALI FACILMENTE DISTINGUIBILI DA QUELLI DI ORIGINE NATURALE…. PERO’ POTREBBE TRASMETTERE ALTRI TIPI DI SEGNALI! Attività SETI a Livello Nazionale svolte fino ad oggi: CNR/INAF (Medicina- Progr. SETI ITALIA Serendip IV 1998-2008). INAF/ASI (Medicina: Progr. ITASEL Prof. Cosmovici 2005-2013 con fondi ASI). 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

PRINCIPALI DIFFICOLTA’ DEL SETI (RADIO): 1- In quale direzione puntare l’antenna? 2- A quale frequenza “sintonizzare” il radiotelescopio? 3- Che segnale cerchiamo? Analogico? Digitale? Modulato …..come? 4- Con quale sensibilità dobbiamo osservare? 5- Siamo nell’intervallo di “visibilità elettromagnetica” di quella civiltà aliena? In linea di massima se il segnale è volontario, il numero 3 potrebbe avere come risposta: portante radio (CW). Se i segnali NON sono trasmessi volutamente…. allora è veramente difficile rispondere a tutti i punti precedenti. 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

1- Puntamento Antenna 3000 AL (Kepler) E’ improbabile (ma non impossibile) che ET punti volutamente o non una sua antenna verso la terra inviando un segnale radio, come è pure improbabile che noi per caso orientiamo una delle nostre grandi antenne nella sua direzione….. …. Il numero di beam necessari per coprire il cielo visibile con SRT a 21 cm è di 1.5 106, per cui ho una possibilità su 1.5 106 di puntare casualmente nella direzione di arrivo di un eventuale segnale radio alieno. 2 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

2- A quale frequenza sintonizzarci ? Nella banda a rumore più basso (1 -10 GHz): Banda considerata   Considerando solo la banda radio da 900 MHz  10 GHz troviamo circa 9 109 canali da 1 Hz. Per avere la certezza di trovare un’eventuale portante radio in questa banda a basso rumore, si devono avere quasi 9 109 canali. 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

3- Che segnale cerchiamo? Il POST PROCESSING è uno degli anelli più critici della “catena” SETI ed è strettamente legato al tipo di modulazione del segnale che cerchiamo di decodificare, perchè ad ogni tipologia di modulazione corrisponde un ricevitore con un ben preciso detector, per cui dobbiamo conoscere quali siano i segnali radio che ci aspettiamo. AM FM PSK ESEMPI DI SPETTRI DI ALCUNE TIPOLOGIE DI MODULAZIONE DIGITALI NOTE 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

3- Che segnale cerchiamo? FM SSB SM PM QAM TCM SC-FDE QAM Analogico continuo? Analogico modulato? Digitale continuo? Digitale modulato? ??? ?? ? PSK Analog Modulation PPM Digital Modulation OOK MSK MFSK Spread Spectrum …. (Sembra essere il più adatto per comunicazioni interstellari) FSK CPM ASK APSK 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

3- La “selva” delle modulazioni digitali .…. Moduazione di Ampiezza Modulazione di Fase Modulazione di Frequenza Modulazione di fase continua Modulazione Trellis- Coded Pulse Amplitude Modulation (PAM) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Phase Shift Keying (PSK) Differential phase shift Keying (DPSK) Offset Phase Shift Keying (QPSK) Freqeuncy Shift Keying (FSK) Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) Minimum Shift Keying (MSK) (Continuous Phase Freqeuncy Shift Keying (CPFSK) Phase Shift Keying (PSK) Esempi di tipi di modulazione di segnali digitali… 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

4- Con quale sensibilità dobbiamo osservare? La SENSIBILITA’ deve essere elevatissima (grandi antenne) perchè le attenuazioni di tratta sono enormi. Trappist -1 40 AL Kepler-452 1400 AL 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

5- Intervallo di visibilità elettromagnetica Probabilmente, come succederà a noi, una civiltà extraterrestre avrà un intervallo limitato di visibilità elettromagnetica (soprattutto radio) verso l’esterno.….. …..l’uomo apparve sulla terra circa 4 milioni di anni fa (Australopitecus afarensis). v E’ prevista per l’anno 2150 la quasi totale cablatura (fibra) del pianeta, per cui la visibilità radio della terra potrebbe diminuire drasticamente. Il periodo in cui l’uomo avrà trasmesso intensivamente risulterà quindi solo di circa 200 anni …. Una civiltà aliena evoluta tecnologicamente avrebbe di fatto visto la terra attiva (radio) solo per 1 / 20.000 della sua evoluzione. . 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

STRATEGIE FUTURE Sfruttare ambedue i modi operativi: l’OSETI e il SETI. OTTICO (OSETI) EVIDENZA CERCATA…...............IMPULSO LASER STRETTO COSTO…....................................MEDIO PUNTAMENTO…...... ................DIFFICILE DIFFICOLTA’ TECNOLOGICHE….MEDIE POST ELABORAZIONE:…...........RIVELAZIONE DI IMPULSI INTERFERENZE TERRESTRI….... QUASI NULLE SETI OSS. TRADATE RADIO EVIDENZA CERCATA…...............SEGNALE RADIO COSTO…....................................MEDIO ALTO PUNTAMENTO ….......................MEDIA DIFFICOLTA' DIFFICOLTA’ TECNOLOGICHE…..ELEVATE POST ELABORAZIONE:…............FFT, KLT, ???? INTERFERENZI TERRESTRI…......ELEVATE . A livello nazionale il Seti Ottico non è operativo, a parte alcune attività molto interessanti del gruppo FOAM13 di Tradate –VA- (Dr. Villa e Ing. Savi). Sarebbe opportuno trasformare qualche piccolo/medio telescopio INAF, non più intensamente utilizzato, in un sistema OSETI (o in piggy back su grandi telescopi). 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

High resolution Power Spectrum STRATEGIE FUTURE Correlatore FFT [ ] High resolution Power Spectrum Collaborazione Medicina- Cagliari- Noto: con run dedicati (via fibra) si possono osservare target a 21 cm (o a qualsiasi altra frequenza radioastronomica, sia per conferma che per ricerca ad altissima risoluzione spaziale. In questa configurazione le radio interferenze terrestri locali verrebbero reiettate…. 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

SVILUPPI FUTURI- Parallelamente alla ricerca di segnali monocromatici con la FFT, la sfida futura sarà legata allo sviluppo di algoritmi in grado di processare e rivelare segnali digitali modulati diversamente, oltre che investigare l’utilizzo nel campo analogico degli Oscillatori di Duffing, Risonanza Stocastica, algoritmi basati sull’ Entropia dell’informazione o altro! 17/02/2019 17/02/2019 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma SETI Meeting INAF-Rma SETI Meeting INAF-Rma 14 14

TARGETTATO SKY SURVEY ANALOGICO VOLONTARIA (monocromatici o modulati) MODALITA’ OSSERVATIVA ORIGINE/TIPO DI SEGNALI DOMINIO POST ELABORAZIONE FFT, WAVELET, KLT - Oscillatori di Duffing Risonanza Stocastica VOLONTARIA (monocromatici o modulati) INVOLONTARIA (Digitali di tipo sconosciuto) ANALOGICO TARGETTATO Elevata sensibilità e direzionalità. (Grandi parabole Grandi Array tipo SKA) SKY SURVEY Grandi FoV (multipixel ) ed alta sensibiltà (Grandi parabole multibeam, Array, tipo SKA) DIGITALE Nuovi Algoritmi di post-elaborazione Nuovi Algoritmi di post-elaborazione VOLONTARIA (Monocromatici o modulati) INVOLONTARIA (Digitali di tipo sconosciuto) DIGITALE ANALOGICO FFT, WAVELET, KLT - Oscillatori di Duffing Risonanza Stocastica 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

BOZZA ? Stima > 3 x 1010 > 8 x 106 ? > 108 ASSE Antenna (SRT@21 cm) 1 possib. su: Sky Survey (Best-2 UHF) 1 Possib. su: PUNTAMENTO nostro Antenna Rx simile a SRT. 1.5 106 FoV (Array) 4 102 PUNTAMENTO Di “ET” Antenna TX simile a SRT (1.5 106) ? Con grandi FoV FREQUENZA MCSA@1010 canali 1 FINESTRA TEMPORALE TECN. Riferito a noi 2 104 Riferit a noi 2 104 TIPO DI MODULAZIONE Non nota ? SENSIBILITA’ Ipotizzata suff. Stima > 3 x 1010 > 8 x 106 Targettato (SRT@21 cm) 1 Possib. su: Antenna Rx simile a SRT. 5 103 (n. pianeti) Antenna Tx Simile a SRT (1.5 106) ? MCSA@1010 canali 1 Riferito a noi 2 104 Non nota ? Ipotizzata suff. > 108 BOZZA 17/02/2019 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma SETI Meeting INAF-Rma 16

Conclusioni Il SETI è un programma molto complesso in cui la probabilità di successo al momento è molto bassa ….. .... per questo motivo, parallelamente alla ricerca di segnali monocromatici in corso, serve uno sforzo comune in un ambito multidisciplinare per affinare nuove tecnologie e nuovi algoritmi, per rendere la ricerca più efficace all’interno di un auspicabile programma SETI –INAF (radio/ottico) dotato di opportuni fondi! 17 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

SPARE DIAPOS 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

IPOTESI DI PARTENZA PER ULTERIORI DISCUSSIONI ….... LPF Filter 000000000…..00000 111111111…..11111 Con 1 milione di punti con un noise colorato mediamente gli 0 (-) sono uguali o quasi agli 1 (+) (media molto vicina allo zero) In caso contrario no! LPF Filter LPF Filter Singolo canale Polyphase filter bank LPF Filter 8 bit USCITA CANALE SINGOLO A/D Ch= 2 KHz Singolo canale Polyphase filter bank Sign (0,1) Digital Comp. Singolo canale Polyphase filter bank v 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma

STRATEGIE FUTURE Ipotesi di un completo data processing. SCHEDA Polyphase filter bank (32 KHz) CONTROLLO (FFT) BANDE e scelta dei canali da circa 32 KHz ciascuno da post-processare (eliminazione RFI o sintonia a step di una banda) SCHEDA di Down conversion in Banda base per gli N canali da 0.8 MHz scelti COMPUTO: - spettro - packet wavelets - Statistica (segno 1 bit) - spread spectrum (?) Eventuali coincidenze detezioni tra i diversi metodi. A/D 17/02/2019 SETI Meeting INAF-Rma