Un radiotelescopio del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha recibido una mejora significativa, avanzando de un plato a cuatro. Las actualizaciones son parte del esfuerzo continuo del Laboratorio para probar los méritos de un radiotelescopio para un posible proyecto futuro entre laboratorios nacionales y universidades patrocinadas por el DOE. El objetivo final de los científicos es profundizar en el universo y comprender mejor los períodos de expansión acelerada y la naturaleza de la energía oscura.

"En el estudio del universo, el primer objetivo es inspeccionar estructuras a gran escala en la mayor cantidad de tiempo y volumen cósmico posible, "dijo Anže Slosar, un físico en Brookhaven Lab. "Ahora, estamos experimentando con una nueva técnica que se basa en ondas de radio, y podría permitirnos observar el universo de manera mucho más eficiente ".

Mapeando el universo con ondas de radio

Los cosmólogos utilizan 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. Los telescopios ópticos pueden detectar la tenue luz emitida por galaxias que están tan lejos de la Tierra que su luz ha tardado 11 mil millones de años en llegar hasta nosotros. Pero los radiotelescopios que detectan ondas de radio producidas en una longitud de onda particular por gas hidrógeno en galaxias distantes, un campo de investigación llamado cosmología de 21 centímetros, puede permitir a los científicos "ver" una imagen diferente del universo.

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

Los radiotelescopios tienen un diseño similar a los telescopios ópticos; ambos incluyen una cámara y un elemento de enfoque que refleja la luz para generar una imagen del universo. Pero en lugar de tener un espejo de vidrio que refleje 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, haciéndolos una forma mucho más rentable de observar el universo.

Los radiotelescopios tradicionales para estudios astronómicos utilizan antenas de radio grandes, o una colección de platos muy separados, para obtener imágenes de alta resolución de objetos celestes individuales. Para las aplicaciones cosmológicas de Brookhaven, sin embargo, se necesita un tipo diferente de radiotelescopio:uno que pueda observar grandes áreas del cielo con una resolución modesta, y puede detectar cambios en la intensidad de las ondas de radio entrantes con extrema precisión.

"Para nuestros propósitos, ver una imagen muy borrosa del universo está bien porque no estamos interesados ​​en observar objetos individuales. Queremos medir grandes franjas del universo, ", dijo Slosar." El uso de emisiones de radio para medir estructuras en el espacio profundo en volúmenes muy grandes nos ayudará a comprender mejor las propiedades fundamentales de nuestro universo ".

Detectando interferencias

El radiotelescopio actual en el sitio en Brookhaven Lab es un pequeño prototipo, y se instaló por primera vez en 2017. Inicialmente, el prototipo sirvió como banco de pruebas para que los científicos gestionen la interferencia de radiofrecuencia generada por el radar meteorológico cercano, transmisión de televisión y torres de telefonía celular. Comprender cómo mitigar estas grandes fuentes de interferencia preparará al grupo para gestionar fuentes de interferencia más pequeñas si se construye un telescopio más grande en un sitio más remoto.

Durante los primeros meses de observaciones, los científicos detectaron esta interferencia esperada, pero también encontraron algo más inusual.

"Vimos señales misteriosas que parecían provenir de una fuente de radio astronómica, "dijo Paul O'Connor, un científico senior en la división de instrumentación de Brookhaven. "Reaparecieron en el intervalo de tiempo adecuado, pero no del todo en el ángulo y la posición correctos del cielo, y sin el espectro de frecuencias esperado ".

Después de caracterizar las señales y calibrar el telescopio, determinaron que las señales provenían de satélites de navegación cuyas órbitas pasaban directamente sobre el plato.

"Nuestro radiotelescopio puede ver docenas de satélites de navegación de todo el mundo, pero eso no es realmente un logro, ", Dijo Slosar." Estos satélites son tan poderosos que nuestros teléfonos pueden verlos. El logro fue detectar estos satélites más allá de su banda de frecuencia asignada, donde son aproximadamente 1, 000 veces menos potente ". Esta señal de baja potencia todavía puede causar problemas a los radiotelescopios, por lo que identificar la señal y aprender a trabajar con ella es un paso crucial hacia la preparación para un proyecto de radiotelescopio más grande.

De un plato a cuatro

Las mediciones exitosas en el primer año de observaciones y la financiación adicional a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Brookhaven han permitido a los investigadores mejorar el prototipo de telescopio y recopilar datos más avanzados. Más significativamente, el telescopio se ha actualizado de un plato a cuatro.

"Tener cuatro platos nos permite utilizar una técnica llamada interferometría, donde puedes combinar señales de dos platos, "Dijo Slosar." Ahora, los cuatro platos actuarán como un plato muy grande. Esta es una técnica estándar en radioastronomía, pero es importante que probemos su funcionalidad en nuestro prototipo a fin de prepararnos para un experimento más amplio en el futuro ".

O'Connor agregó, "La construcción del plato fue en gran parte dirigida por los estudiantes. Tuvimos siete estudiantes trabajando en el telescopio el verano pasado y tenemos más por venir este año".

En los años venideros el prototipo de telescopio seguirá sirviendo como banco de pruebas para interferometría y otras técnicas de investigación que los científicos esperan utilizar en un experimento más amplio. Otros planes incluyen el uso de drones que transportan fuentes de radio para calibrar el telescopio.

"Siempre tuvimos el plan de pasar de un plato a cuatro, y ahora que lo hemos hecho consideramos completo el diseño de este instrumento de banco de pruebas, ", Dijo Slosar." Cuando estemos listos para más actualizaciones, esos serán planeados para un experimento más grande. Por ahora, este prototipo será un banco de pruebas a largo plazo mientras pasamos a la fase de investigación y desarrollo para un proyecto más grande ".

Hasta aquí, el prototipo ya ha demostrado ser una nueva forma prometedora de "ver" el universo.

"Hemos comparado nuestros datos con los datos existentes que los radiotelescopios han producido de la Vía Láctea, y encaja perfectamente "dijo Chris Sheehy, físico en Brookhaven. "La diferencia es que el 'ancho de banda' de nuestro prototipo se incrementa en un factor de 100. Entonces, mientras que otros experimentos han mapeado la Vía Láctea en una banda de frecuencia muy estrecha, vemos ese rango como una franja estrecha en nuestros datos, y también podemos ver un factor de 100 más ".

Con respecto a un proyecto de radiotelescopio más grande, los investigadores continúan colaborando con otros laboratorios nacionales y universidades respaldadas por el DOE para construir un caso; están diseñando un concepto que esperan ver cobrar vida en los próximos 10 años. Las observaciones exitosas del prototipo de Brookhaven serían uno de los muchos ejemplos importantes para respaldar el caso de un experimento de este tipo a una escala internacional más grande.