Um radiotelescópio do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) recebeu uma atualização significativa, avançando de um prato para quatro. As atualizações são parte do esforço contínuo do Laboratório para testar os méritos de um radiotelescópio para um projeto futuro em potencial entre laboratórios nacionais e universidades patrocinadas pelo DOE. O objetivo final dos cientistas é olhar profundamente no universo e obter uma melhor compreensão dos períodos de expansão acelerada e da natureza da energia escura.

"No estudo do universo, o primeiro objetivo é pesquisar estruturas em grande escala ao longo do maior volume cósmico e tempo possível, "disse Anže Slosar, um físico do Laboratório Brookhaven. "Agora, estamos experimentando uma nova técnica que se baseia em ondas de rádio, e poderia nos permitir observar o universo com muito mais eficiência. "

Mapeando o universo com ondas de rádio

Os cosmólogos usam principalmente telescópios ópticos - telescópios que observam o espaço por meio da luz visível - para estudar galáxias e suas distribuições no espaço e no tempo. Os telescópios ópticos podem detectar a luz fraca emitida por galáxias que estão tão distantes da Terra que sua luz levou 11 bilhões de anos para chegar até nós. Mas radiotelescópios, que detectam ondas de rádio produzidas em um determinado comprimento de onda pelo gás hidrogênio em galáxias distantes - um campo de pesquisa chamado cosmologia de 21 centímetros - pode permitir que os cientistas "vejam" uma imagem diferente do universo.

"Comparado aos telescópios ópticos, radiotelescópios também podiam ver mais longe - mais para trás no tempo e mais distâncias no universo, "disse Paul Stankus, um físico do Laboratório Nacional de Oak Ridge e um colaborador do radiotelescópio de Brookhaven.

Os radiotelescópios têm um design semelhante aos telescópios ópticos; ambos incluem uma câmera e um elemento de foco que reflete a luz para gerar uma imagem do universo. Mas em vez de ter um espelho de vidro que reflete a luz visível, radiotelescópios podem usar um prato refletor de metal que custa cerca de 100 vezes menos do que um espelho de vidro do mesmo tamanho, tornando-os uma maneira muito mais econômica de observar o universo.

Radiotelescópios tradicionais para estudos astronômicos usam grandes antenas parabólicas, ou uma coleção de pratos amplamente separados, para obter imagens de alta resolução de objetos celestes individuais. Para as aplicações cosmológicas de Brookhaven, Contudo, um tipo diferente de radiotelescópio é necessário:um que possa observar grandes manchas do céu com resolução modesta, e pode detectar mudanças na intensidade das ondas de rádio de entrada com extrema precisão.

"Para nossos propósitos, ver uma imagem muito borrada do universo é bom porque não estamos interessados ​​em observar objetos individuais. Queremos medir grandes áreas do universo, "disse Slosar." Usar as emissões de rádio para medir estruturas no espaço profundo em volumes muito grandes nos ajudará a obter uma melhor compreensão das propriedades fundamentais do nosso universo. "

Detectando interferência

O atual radiotelescópio no local do Brookhaven Lab é um pequeno protótipo, e foi instalado pela primeira vez em 2017. Inicialmente, o protótipo serviu de base de teste para os cientistas gerenciarem a interferência de radiofrequência gerada pelo radar meteorológico nas proximidades, transmissão de TV, e torres de telefonia celular. Entender como mitigar essas grandes fontes de interferência irá preparar o grupo para gerenciar fontes menores de interferência se um telescópio maior for construído em um local mais remoto.

Durante os primeiros meses de observações, os cientistas detectaram essa interferência esperada, mas também encontraram algo mais incomum.

"Vimos sinais misteriosos que pareciam vir de uma fonte de rádio astronômica, "disse Paul O'Connor, um cientista sênior na divisão de instrumentação de Brookhaven. "Eles reapareceram no intervalo de tempo certo, mas não exatamente no ângulo e posição corretos do céu, e sem o espectro de frequência esperado. "

Depois de caracterizar os sinais e calibrar o telescópio, eles determinaram que os sinais vinham de satélites de navegação cujas órbitas passavam diretamente sobre a antena.

"Nosso radiotelescópio pode ver dezenas de satélites de navegação de todo o mundo, mas isso não é realmente uma conquista, "Slosar disse." Esses satélites são tão poderosos que nossos telefones podem vê-los. A conquista foi detectar esses satélites além de sua banda de frequência alocada, onde eles são cerca de 1, 000 vezes menos potente. "Este sinal de baixa potência ainda é capaz de causar problemas para os radiotelescópios, portanto, identificar o sinal e aprender a trabalhar com ele é um passo crucial para a preparação de um projeto maior de radiotelescópio.

De um prato para quatro

Medições bem-sucedidas no primeiro ano de observações e financiamento adicional por meio do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Brookhaven permitiram aos pesquisadores aprimorar o protótipo do telescópio e coletar dados mais avançados. Mais significativamente, o telescópio foi atualizado de um prato para quatro.

“Ter quatro pratos nos permite usar uma técnica chamada interferometria, onde você pode combinar sinais de dois pratos, "Slosar disse." Agora, os quatro pratos funcionarão como um prato muito grande. Esta é uma técnica padrão em radioastronomia, mas é importante que testemos sua funcionalidade em nosso protótipo, a fim de nos prepararmos para um experimento maior no futuro. "

O'Connor acrescentou, "a construção da antena foi em grande parte liderada por alunos. Tivemos sete alunos trabalhando no telescópio no verão passado e temos mais por vir este ano."

Nos anos futuros, o protótipo do telescópio continuará a servir de teste para interferometria e outras técnicas de pesquisa que os cientistas esperam usar em um experimento maior. Outros planos incluem o uso de drones que carregam fontes de rádio para calibrar o telescópio.

"Sempre tivemos o plano de ir de um prato para quatro, e agora que fizemos isso, consideramos o design deste instrumento de teste completo, "Slosar disse." Quando estivermos prontos para novas atualizações, aqueles serão planejados para um experimento maior. Por enquanto, este protótipo será um teste de longo prazo enquanto fazemos a transição para a fase de pesquisa e desenvolvimento de um projeto maior. "

Até aqui, o protótipo já se revelou uma nova forma promissora de "ver" o universo.

"Comparamos nossos dados com os dados existentes que os radiotelescópios produziram da Via Láctea, e combina perfeitamente, "disse Chris Sheehy, um físico em Brookhaven. "A diferença é que a 'largura de banda' do nosso protótipo é aumentada por um fator de 100. Então, enquanto outros experimentos mapearam a Via Láctea em uma banda de frequência muito estreita, vemos esse intervalo como uma faixa estreita em nossos dados, e também podemos ver um fator de mais 100. "

Em relação a um projeto maior de radiotelescópio, os pesquisadores continuam a colaborar com outros laboratórios nacionais e universidades apoiadas pelo DOE para construir um caso; eles estão desenvolvendo um conceito que esperam ver concretizado nos próximos 10 anos. As observações bem-sucedidas do protótipo de Brookhaven seriam um dos muitos exemplos importantes para apoiar um caso para tal experimento em uma escala maior e internacional.