Een nieuw prototype radiotelescoop is begonnen met het observeren van het universum in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Gemaakt door een team van wetenschappers, ingenieurs, timmerlieden, en studenten, het prototype telescoop werd gefinancierd door Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development programma. Wetenschappers en medewerkers van Brookhaven zullen het kleine prototype gebruiken om de verdiensten van een radiotelescoop ter plaatse in het Lab te testen. nieuwe manieren ontwikkelen om fundamentele problemen aan te pakken, en breken in het veld van 21 centimeter kosmologie - de studie van de oorsprong van ons universum door middel van radiosignalen uitgezonden door waterstofgas in verre sterrenstelsels.

Kosmologen hebben voornamelijk optische telescopen gebruikt - telescopen die de ruimte door zichtbaar licht waarnemen - om sterrenstelsels en hun distributies in ruimte en tijd te bestuderen. Deze telescopen zijn zeer geavanceerd, en die zoals de Large Synoptic Survey Telescope (LSST) die nu in aanbouw is in Chili, zijn volledig geoptimaliseerd voor kosmologische toepassingen; echter, optische telescopen zijn ook extreem duur om te bouwen. Daarom onderzoekt Brookhaven radiotelescopen als alternatief, kosteneffectieve manier om het heelal te observeren.

"Als we meer willen weten over het universum, radiotelescopen zijn een spannende stap vooruit, " zei Chris Sheehy, een natuurkundige in Brookhaven.

Radio- en optische telescopen hebben een soortgelijk ontwerp:ze bevatten allebei een camera en een focusseerelement dat licht reflecteert om een ​​beeld van het universum te genereren. Maar in tegenstelling tot optische telescopen, die een glazen spiegel gebruiken om zichtbaar licht te weerkaatsen, radiotelescopen kunnen een metalen reflectorschotel gebruiken die ongeveer 100 keer minder kost dan een glazen spiegel van dezelfde grootte.

"Radiogolven zijn als normaal licht, alleen met veel langere golflengten, " zei Anže Slosar, een natuurkundige bij Brookhaven Lab. De lange golflengten van radiogolven zorgen ervoor dat radiotelescopen een beeld van het universum produceren met een veel lagere resolutie dan een optische telescoop van dezelfde grootte zou kunnen produceren.

Een nauwkeurig beeld van het universum vastleggen

In de traditionele radioastronomie - de studie van individuele hemellichamen met behulp van radiogolven - worden zeer grote radioschotels of een verzameling ver uit elkaar geplaatste schotels gebruikt om de beeldresolutie te verbeteren. Voor kosmologische toepassingen, echter, er is een ander soort radiotelescoop nodig:een die grote delen van de lucht met een uiterst nauwkeurige intensiteit kan waarnemen, maar slechts een bescheiden resolutie.

"Het hebben van een kleine radiotelescoop die een erg wazig beeld van het universum ziet, is oké, " zei Slosar, "omdat we niet geïnteresseerd zijn in het observeren van individuele objecten. We kunnen grote delen van het universum meten en toch dezelfde statistische grootheden meten die we normaal doen met sterrenstelsels."

Een zeer gevoelige radiotelescoop is noodzakelijk voor kosmologen omdat hun waarnemingen afhankelijk zijn van een zeer zwak signaal van neutraal waterstofgas, een kosmologische marker die in alle sterrenstelsels wordt aangetroffen. Het waterstofsignaal is zo zwak dat het alleen kan worden gedetecteerd door ruis en storende radiogolven uit ons eigen sterrenstelsel zorgvuldig weg te werken (zie figuur). Kosmologen in Brookhaven zijn niet de eersten die naar deze kosmologische marker zoeken; een volledig gefinancierd experiment genaamd het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment is aan de gang, en een soortgelijke inspanning wordt overwogen voor Zuid-Afrika. Het Brookhaven-experiment is aanzienlijk kleiner, maar de doelstellingen zijn anders.

"In plaats van rechtstreeks naar een competitief experiment te gaan, we beginnen met een klein R&D-prototype om de techniek te ontwikkelen, " zei Hindy Drillick, een student aan de Stony Brook University die deelneemt aan het experiment. "We hebben een prachtig flexibel systeem waar je naartoe kunt lopen, spelen met, en snel verschillende technieken uitproberen." Het Brookhaven-team hoopt het prototype te gebruiken om nieuwe kalibratie- en karakteriseringstechnieken voor radiotelescopen te ontwikkelen en te testen.

Een uniek perspectief op de ruimte

Het observeren van zeer verre sterrenstelsels is een moeilijke taak omdat hun sterlicht erg rood lijkt, een gevolg van de voortdurende uitdijing van het heelal. Voor rood licht zijn duurdere detectoren nodig om te observeren en het is waarschijnlijker dat het in de atmosfeer wordt geabsorbeerd. Verre sterrenstelsels zijn ook intrinsiek zwakker en minder in aantal.

"Vergeleken met optische telescopen, radiotelescopen kunnen verder kijken - verder terug in de tijd en grotere afstanden in het heelal, " zei Paul Stankus, een natuurkundige bij Oak Ridge National Laboratory en een medewerker van de radiotelescoop.

Radiotelescopen zijn ook bijzonder handig voor kosmologen omdat hun ontwerp de noodzaak om de positie van de telescoop aan te passen elimineert.

"Als je met een optische telescoop naar een ster zou willen kijken, je zou de positie van de telescoop voortdurend moeten aanpassen om een ​​duidelijk beeld te krijgen. Maar we kunnen onze radiotelescoop recht op het zenit richten, en laat de lucht langs de telescoop bewegen terwijl de aarde draait, " zei Will Tyndall, een afgestudeerde student aan de Stony Brook University die momenteel met de telescoop werkt. "Je kunt je het voorstellen alsof je een schilderij van Jackson Pollock observeert. Het gebruik van een optische telescoop zou het equivalent zijn van het kijken naar elke stip in het schilderij, en zet dan alle stippen op een grafiek om te zien waar ze zich bevinden. Met een radiotelescoop zou je langzaam van links naar rechts naar het schilderij kijken om het hele plaatje te zien."

Bovendien, radiotelescopen kunnen elektronisch worden bestuurd en hebben niet de dure volgmotoren nodig die op optische telescopen worden gebruikt.

Huidige uitdagingen en plannen voor een geavanceerd experiment

Brookhaven's prototype telescoop staat op Lab-terrein, waar radiofrequentie-interferentie gegenereerd door de nabijgelegen weerradar, tv-uitzending, en gsm-masten bemoeilijken observaties. Het beheer van de radio-interferentie met het prototype zal Brookhaven-wetenschappers voorbereiden op het nemen van nauwkeurige metingen van het universum met een meer geavanceerde telescoop.

"Tenzij je naar de achterkant van de maan gaat, er zal altijd radiofrequentie-interferentie zijn, zelfs midden in de woestijn, " zei Paul O'Connor, een senior wetenschapper bij de instrumentatiedivisie van Brookhaven, "Dus we moeten begrijpen hoe we die interferentie kunnen verminderen om onze waarnemingen te verbeteren. Als we het kunnen doen op de Brookhaven-site, we kunnen het overal doen."

De groep verwacht ongeveer vijf jaar te zullen experimenteren met het prototype om de belofte van radiotelescopen voor kosmologische studies in het Lab aan te tonen. en om verschillende ontwerpkeuzes te testen voor een geavanceerd experiment.

Het prototype is een samenwerking tussen de afdeling Natuurkunde en de Instrumentatieafdeling in Brookhaven. "Deze combinatie is uniek krachtig, "Zei Slosar. "Ons laboratorium maakt deze sterke verbinding mogelijk tussen degenen die de moeren en bouten van hardware kennen en degenen die analyses op hoog niveau kunnen doen."

De twee groepen werken al meer dan tien jaar samen aan LSST, en de radiotelescoop zou deze samenwerking kunnen uitbreiden nadat het LSST-bouwproject aan het einde van het decennium is voltooid.

parallel, Wetenschappers van Brookhaven werken samen met andere nationale laboratoria en door DOE ondersteunde universiteiten om de zaak voor een grotere radiotelescoop op te bouwen. Het experiment zou op een afgelegen locatie plaatsvinden, en er zouden veel DOE-labs en mogelijk andere instanties bij betrokken zijn. Succesvolle waarnemingen van het prototype van Brookhaven zouden een van de vele belangrijke voorbeelden zijn om een ​​dergelijk experiment op grotere en internationale schaal te ondersteunen.