Um novo protótipo de radiotelescópio começou a observar o universo no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Construído por uma equipe de cientistas, engenheiros, carpinteiros, e alunos, o protótipo do telescópio foi financiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Brookhaven. Cientistas e colaboradores do Brookhaven usarão o pequeno protótipo para testar os méritos de um radiotelescópio no local do laboratório, desenvolver novas maneiras de atacar problemas fundamentais, e entrar no campo da cosmologia de 21 centímetros - o estudo das origens do nosso universo por meio de sinais de rádio emitidos pelo gás hidrogênio em galáxias distantes.

Os cosmologistas usaram principalmente telescópios ópticos - telescópios que observam o espaço através da luz visível - para estudar galáxias e suas distribuições no espaço e no tempo. Esses telescópios são extremamente avançados, e outros como o Large Synoptic Survey Telescope (LSST), agora em construção no Chile, são totalmente otimizados para aplicações cosmológicas; Contudo, telescópios ópticos também são extremamente caros de construir. É por isso que Brookhaven está investigando radiotelescópios como alternativa, maneira econômica de observar o universo.

"Se quisermos aprender mais sobre o universo, radiotelescópios são uma maneira empolgante de avançar, "disse Chris Sheehy, um físico em Brookhaven.

O rádio e os telescópios ópticos têm um design semelhante:ambos incluem uma câmera e um elemento de foco que reflete a luz para gerar uma imagem do universo. Mas, ao contrário dos telescópios ópticos, que usam um espelho de vidro para refletir a luz visível, os radiotelescópios podem usar um refletor de metal que custa cerca de 100 vezes menos do que um espelho de vidro do mesmo tamanho.

"As ondas de rádio são como a luz normal, apenas com comprimentos de onda muito mais longos, "disse Anže Slosar, um físico do Laboratório Brookhaven. Os longos comprimentos de onda das ondas de rádio fazem com que os radiotelescópios produzam uma imagem do universo com resolução muito menor do que a que um telescópio óptico do mesmo tamanho poderia produzir.

Capturando uma imagem precisa do universo

Na radioastronomia tradicional - o estudo de objetos celestes individuais usando ondas de rádio - antenas de rádio muito grandes ou uma coleção de antenas amplamente separadas são usadas para melhorar a resolução da imagem. Para aplicações cosmológicas, Contudo, um tipo diferente de radiotelescópio é necessário:um que possa observar grandes manchas do céu com intensidade extremamente precisa, mas apenas resolução modesta.

"Ter um pequeno radiotelescópio que vê uma imagem muito borrada do universo está OK, "Slosar disse, "porque não estamos interessados ​​em observar objetos individuais. Podemos medir grandes áreas do universo e ainda medir as mesmas quantidades estatísticas que normalmente fazemos usando galáxias."

Um radiotelescópio altamente sensível é necessário para cosmologistas porque suas observações dependem de um sinal muito fraco do gás hidrogênio neutro, um marcador cosmológico encontrado em todas as galáxias. O sinal de hidrogênio é tão fraco que só pode ser detectado subtraindo-se cuidadosamente o ruído e as ondas de rádio interferentes de nossa própria galáxia (veja a Figura). Os cosmólogos de Brookhaven não são os primeiros a pesquisar esse marcador cosmológico; um experimento totalmente financiado chamado Experimento Canadense de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio está em andamento, e um esforço semelhante está sendo considerado para a África do Sul. O experimento de Brookhaven é consideravelmente menor, mas seus objetivos são diferentes.

"Em vez de ir direto para um experimento competitivo, estamos começando com um pequeno protótipo de P&D para desenvolver a técnica, "disse Hindy Drillick, um estudante de graduação na Stony Brook University que está participando do experimento. "Temos um sistema lindamente flexível ao qual se pode caminhar, mexer com, e experimentar técnicas diferentes rapidamente. ”A equipe de Brookhaven espera usar o protótipo para desenvolver e testar novas técnicas de calibração e caracterização para radiotelescópios.

Uma perspectiva única do espaço sideral

Observar galáxias muito distantes é uma tarefa difícil porque a luz das estrelas parece muito vermelha, resultado da expansão contínua do universo. A luz vermelha requer a observação de detectores mais caros e é mais provável que seja absorvida pela atmosfera. Galáxias distantes também são intrinsecamente mais fracas e em menor número.

"Comparado aos telescópios ópticos, radiotelescópios podem ver mais longe - mais para trás no tempo e mais distâncias no universo, "disse Paul Stankus, um físico do Oak Ridge National Laboratory e um colaborador do radiotelescópio.

Radiotelescópios também são particularmente convenientes para cosmologistas porque seu design elimina a necessidade de ajustar a posição do telescópio.

"Se você quisesse olhar para uma estrela com um telescópio óptico, você teria que ajustar continuamente a posição do telescópio para obter uma imagem nítida. Mas podemos apontar nosso radiotelescópio direto para o zênite, e deixe o céu passar pelo telescópio enquanto a Terra gira, "disse Will Tyndall, um estudante de pós-graduação na Stony Brook University que atualmente está trabalhando com o telescópio. "Você pode imaginar como se estivesse observando uma pintura de Jackson Pollock. Usar um telescópio óptico seria o equivalente a olhar para cada ponto na pintura, e, em seguida, colocar todos os pontos em um gráfico para ver onde eles estão localizados. Usar um radiotelescópio seria olhar lentamente para a pintura da esquerda para a direita para ver a imagem inteira. "

Além disso, os radiotelescópios podem ser dirigidos eletronicamente e não requerem os caros motores de rastreamento usados ​​nos telescópios ópticos.

Desafios e planos atuais para um experimento avançado

O protótipo do telescópio de Brookhaven está situado no terreno do laboratório, onde a interferência de radiofrequência gerada pelo radar meteorológico próximo, transmissão de TV, e torres de telefone celular complicam as observações. Gerenciar a interferência de rádio com o protótipo irá preparar os cientistas de Brookhaven para fazer medições precisas do universo com um telescópio mais avançado.

"A menos que você vá para o lado de trás da lua, sempre haverá interferência de radiofrequência, mesmo no meio do deserto, "disse Paul O'Connor, um cientista sênior da divisão de instrumentação de Brookhaven, "portanto, temos que entender como mitigar essa interferência para melhorar nossas observações. Se pudermos fazer isso no site de Brookhaven, podemos fazer isso em qualquer lugar. "

O grupo espera passar cerca de cinco anos experimentando com o protótipo para demonstrar a promessa de radiotelescópios para estudos de cosmologia no laboratório, e para testar várias opções de design para um experimento avançado.

O protótipo é um esforço colaborativo entre o Departamento de Física e a Divisão de Instrumentação de Brookhaven. "Esta combinação é excepcionalmente poderosa, "Slosar disse." Nosso laboratório permite essa forte conexão entre aqueles que conhecem os detalhes básicos de hardware e aqueles que podem fazer análises de alto nível. "

Os dois grupos têm colaborado com LSST por mais de uma década, e o radiotelescópio poderia estender essa colaboração depois que o projeto de construção do LSST for concluído no final da década.

Em paralelo, Cientistas de Brookhaven estão colaborando com outros laboratórios nacionais e universidades apoiadas pelo DOE para construir o caso de um radiotelescópio maior. O experimento seria situado em um local remoto, e envolveria muitos laboratórios DOE e potencialmente outras agências. As observações bem-sucedidas do protótipo de Brookhaven seriam um dos muitos exemplos importantes para apoiar tal experimento em uma escala maior e internacional.