Un nuevo radiotelescopio prototipo ha comenzado a observar el universo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Construido por un equipo de científicos, ingenieros carpinteros, y estudiantes, el prototipo de telescopio fue financiado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Brookhaven. Los científicos y colaboradores de Brookhaven utilizarán el pequeño prototipo para probar los méritos de un radiotelescopio in situ en el laboratorio. Desarrollar nuevas formas de abordar los problemas fundamentales. e irrumpir en el campo de la cosmología de 21 centímetros, el estudio de los orígenes de nuestro universo a través de señales de radio emitidas por gas hidrógeno en galaxias distantes.

Los cosmólogos han utilizado principalmente telescopios ópticos, telescopios que observan el espacio a través de la luz visible, para estudiar las galaxias y sus distribuciones en el espacio y el tiempo. Estos telescopios son extremadamente avanzados, y otros como el Large Synoptic Survey Telescope (LSST) ahora en construcción en Chile están completamente optimizados para aplicaciones cosmológicas; sin embargo, Los telescopios ópticos también son extremadamente costosos de construir. Por eso Brookhaven está investigando radiotelescopios como alternativa, forma rentable de observar el universo.

"Si queremos aprender más sobre el universo, Los radiotelescopios son una forma emocionante de avanzar, "dijo Chris Sheehy, físico en Brookhaven.

Los radiotelescopios y los telescopios ópticos tienen un diseño similar:ambos incluyen una cámara y un elemento de enfoque que refleja la luz para generar una imagen del universo. Pero a diferencia de los telescopios ópticos, que utilizan un espejo de cristal para reflejar la luz visible, Los radiotelescopios pueden usar un plato reflector de metal que cuesta aproximadamente 100 veces menos que un espejo de vidrio del mismo tamaño.

"Las ondas de radio son como la luz normal, solo con longitudes de onda mucho más largas, "dijo Anže Slosar, un físico en Brookhaven Lab. Las longitudes de onda largas de las ondas de radio hacen que los radiotelescopios produzcan una imagen del universo con una resolución mucho menor que la que podría producir un telescopio óptico del mismo tamaño.

Capturando una imagen precisa del universo

En la radioastronomía tradicional, el estudio de objetos celestes individuales mediante ondas de radio, se utilizan antenas de radio muy grandes o una colección de antenas muy separadas para mejorar la resolución de la imagen. Para aplicaciones cosmológicas, sin embargo, se necesita un tipo diferente de radiotelescopio:uno que pueda observar grandes áreas del cielo con una intensidad extremadamente precisa, pero solo una modesta resolución.

"Tener un pequeño radiotelescopio que ve una imagen muy borrosa del universo está bien, "Slosar dijo, "porque no estamos interesados ​​en observar objetos individuales. Podemos medir grandes franjas del universo y aún medir las mismas cantidades estadísticas que normalmente hacemos con las galaxias".

Los cosmólogos necesitan un radiotelescopio de alta sensibilidad porque sus observaciones se basan en una señal muy débil del gas hidrógeno neutro, un marcador cosmológico que se encuentra en todas las galaxias. La señal de hidrógeno es tan débil que solo puede detectarse restando cuidadosamente el ruido y las ondas de radio interferentes de nuestra propia galaxia (ver Figura). Los cosmólogos de Brookhaven no son los primeros en buscar este marcador cosmológico; un experimento totalmente financiado llamado Experimento Canadiense de Mapeo de la Intensidad del Hidrógeno está en marcha, y se está considerando un esfuerzo similar para Sudáfrica. El experimento de Brookhaven es considerablemente más pequeño, pero sus objetivos son diferentes.

"En lugar de ir directamente a un experimento competitivo, comenzamos con un pequeño prototipo de I + D para desarrollar la técnica, "dijo Hindy Drillick, un estudiante de pregrado de la Universidad de Stony Brook que participa en el experimento. "Tenemos un sistema maravillosamente flexible al que uno puede caminar, manipular, y probar rápidamente diferentes técnicas ". El equipo de Brookhaven espera utilizar el prototipo para desarrollar y probar nuevas técnicas de calibración y caracterización para radiotelescopios.

Una perspectiva única del espacio exterior

Observar galaxias muy distantes es una tarea difícil porque su luz estelar parece muy roja, un resultado de la expansión en curso del universo. La luz roja requiere la observación de detectores más costosos y es más probable que sea absorbida por la atmósfera. Las galaxias distantes también son intrínsecamente más débiles y menos numerosas.

"En comparación con los telescopios ópticos, Los radiotelescopios pueden ver más lejos, más atrás en el tiempo y más lejos en el universo, "dijo Paul Stankus, físico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y colaborador del radiotelescopio.

Los radiotelescopios también son particularmente convenientes para los cosmólogos porque su diseño elimina la necesidad de ajustar la posición del telescopio.

"Si quisieras mirar una estrella con un telescopio óptico, tendría que ajustar continuamente la posición del telescopio para obtener una imagen clara. Pero podemos apuntar nuestro radiotelescopio directamente al cenit, y dejar que el cielo se mueva más allá del telescopio mientras la tierra gira, "dijo Will Tyndall, estudiante de posgrado de la Universidad de Stony Brook que actualmente trabaja con el telescopio. "Puedes imaginarlo como si estuvieras observando una pintura de Jackson Pollock. Usar un telescopio óptico sería el equivalente a mirar cada punto en la pintura, y luego poner todos los puntos en un gráfico para ver dónde están ubicados. Usar un radiotelescopio sería mirar lentamente la pintura de izquierda a derecha para ver la imagen completa ".

Es más, Los radiotelescopios se pueden dirigir electrónicamente y no requieren los costosos motores de seguimiento que se utilizan en los telescopios ópticos.

Desafíos y planes actuales para un experimento avanzado

El prototipo del telescopio de Brookhaven está situado en los terrenos del laboratorio, donde la interferencia de radiofrecuencia generada por el radar meteorológico cercano, transmisión de televisión y las torres de telefonía celular complican las observaciones. La gestión de la interferencia de radio con el prototipo preparará a los científicos de Brookhaven para tomar medidas precisas del universo con un telescopio más avanzado.

"A menos que vayas a la parte de atrás de la luna, siempre habrá interferencias de radiofrecuencia, incluso en medio del desierto, "dijo Paul O'Connor, un científico senior en la división de instrumentación de Brookhaven, "así que tenemos que entender cómo mitigar esa interferencia para mejorar nuestras observaciones. Si podemos hacerlo en el sitio de Brookhaven, podemos hacerlo en cualquier lugar ".

El grupo espera pasar unos cinco años experimentando con el prototipo para demostrar la promesa de los radiotelescopios para estudios de cosmología en el laboratorio. y probar varias opciones de diseño para un experimento avanzado.

El prototipo es un esfuerzo de colaboración entre el Departamento de Física y la División de Instrumentación de Brookhaven. "Esta combinación es excepcionalmente poderosa, ", Dijo Slosar." Nuestro laboratorio permite esta fuerte conexión entre aquellos que conocen los aspectos prácticos del hardware y aquellos que pueden hacer análisis de alto nivel ".

Los dos grupos han estado colaborando en LSST durante más de una década, y el radiotelescopio podría ampliar esta colaboración después de que se complete el proyecto de construcción del LSST a finales de la década.

En paralelo, Los científicos de Brookhaven están colaborando con otros laboratorios nacionales y universidades respaldadas por el DOE para construir el caso de un radiotelescopio más grande. El experimento se ubicaría en un sitio remoto, e involucraría a muchos laboratorios del DOE y potencialmente a otras agencias. Las observaciones exitosas del prototipo de Brookhaven serían uno de los muchos ejemplos importantes para respaldar un experimento de este tipo a una escala más grande e internacional.