Een radiotelescoop in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een aanzienlijke upgrade gekregen, van een gerecht naar vier. De upgrades maken deel uit van de voortdurende inspanningen van het laboratorium om de verdiensten van een radiotelescoop te testen voor een mogelijk toekomstig project tussen nationale laboratoria en door DOE gesponsorde universiteiten. Het uiteindelijke doel van de wetenschappers is om diep in het universum te kijken en een beter begrip te krijgen van perioden van versnelde expansie en de aard van donkere energie.

"Bij de studie van het universum, het eerste doel is om grootschalige structuren te onderzoeken over zoveel mogelijk kosmisch volume en tijd, " zei Anže Slosar, een natuurkundige bij Brookhaven Lab. "Nutsvoorzieningen, we experimenteren met een nieuwe techniek die gebaseerd is op radiogolven, en het zou ons in staat kunnen stellen om het universum veel efficiënter te observeren."

Het heelal in kaart brengen met radiogolven

Kosmologen gebruiken voornamelijk optische telescopen - telescopen die de ruimte observeren door zichtbaar licht - om sterrenstelsels en hun distributies in ruimte en tijd te bestuderen. Optische telescopen kunnen het zwakke licht detecteren dat wordt uitgezonden door sterrenstelsels die zo ver van de aarde verwijderd zijn dat hun licht er 11 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Maar radiotelescopen, die radiogolven detecteren die op een bepaalde golflengte worden geproduceerd door waterstofgas in verre sterrenstelsels - een onderzoeksgebied dat 21 centimeter kosmologie wordt genoemd - kan wetenschappers in staat stellen een ander beeld van het universum te "zien".

"Vergeleken met optische telescopen, radiotelescopen konden ook verder naar buiten 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 Brookhaven's radiotelescoop.

Radiotelescopen hebben een soortgelijk ontwerp als optische telescopen; ze bevatten allebei een camera en een focuselement dat licht reflecteert om een ​​beeld van het universum te genereren. Maar in plaats van een glazen spiegel die zichtbaar licht weerkaatst, radiotelescopen kunnen een metalen reflectorschotel gebruiken die ongeveer 100 keer minder kost dan een glazen spiegel van dezelfde grootte, waardoor ze een veel kosteneffectievere manier zijn om het universum te observeren.

Traditionele radiotelescopen voor astronomische studies gebruiken grote radioschotels, of een verzameling van ver uit elkaar liggende schotels, om hoge resolutiebeelden van individuele hemellichamen te verkrijgen. Voor Brookhaven's kosmologische toepassingen, echter, er is een ander soort radiotelescoop nodig:een die grote delen van de hemel kan waarnemen met een bescheiden resolutie, en kan met extreme precisie veranderingen in de intensiteit van inkomende radiogolven detecteren.

"Voor onze doeleinden het zien van een erg wazig beeld van het universum is oké, omdat we niet geïnteresseerd zijn in het observeren van individuele objecten. We willen grote delen van het heelal meten, "zei Slosar. "Het gebruik van radio-emissies om structuren in de diepe ruimte over zeer grote volumes te meten, zal ons helpen een beter begrip te krijgen van de fundamentele eigenschappen van ons universum."

Interferentie detecteren

De huidige radiotelescoop op het Brookhaven Lab is een klein prototype, en het werd voor het eerst geïnstalleerd in 2017. Aanvankelijk, het prototype diende als een testbed voor wetenschappers om radiofrequentie-interferentie te beheren die wordt gegenereerd door de nabijgelegen weerradar, tv-uitzending, en gsm-masten. Begrijpen hoe deze grote storingsbronnen kunnen worden verminderd, zal de groep voorbereiden op het beheer van kleinere storingsbronnen als een grotere telescoop op een meer afgelegen locatie wordt gebouwd.

Tijdens de eerste maanden van observaties, de wetenschappers ontdekten deze verwachte interferentie, maar ze vonden ook iets ongewoons.

"We zagen mysterieuze signalen die van een astronomische radiobron leken te komen, " zei Paul O'Connor, een senior wetenschapper in de instrumentatiedivisie van Brookhaven. "Ze verschenen weer op het juiste moment, maar niet helemaal in de juiste hoek en positie van de lucht, en zonder het verwachte frequentiespectrum."

Na het karakteriseren van de signalen en het kalibreren van de telescoop, ze stelden vast dat de signalen afkomstig waren van navigatiesatellieten waarvan de banen toevallig direct over de schotel gingen.

"Onze radiotelescoop kan tientallen navigatiesatellieten van over de hele wereld zien, maar dat is niet echt een prestatie, "zei Slosar. "Deze satellieten zijn zo krachtig dat onze telefoons ze kunnen zien. De prestatie was het detecteren van deze satellieten buiten hun toegewezen frequentieband, waar ze ongeveer 1 zijn 000 keer minder krachtig." Dit signaal met een laag vermogen kan nog steeds problemen veroorzaken voor radiotelescopen, dus het identificeren van het signaal en ermee leren werken is een cruciale stap in de voorbereiding op een groter radiotelescoopproject.

Van één gerecht naar vier

Succesvolle metingen in het eerste jaar van waarnemingen en aanvullende financiering via Brookhaven's Laboratory Directed Research and Development-programma hebben de onderzoekers in staat gesteld de prototypetelescoop te verbeteren en meer geavanceerde gegevens te verzamelen. Het meest significant, de telescoop is opgewaardeerd van één schotel naar vier.

"Met vier schotels kunnen we een techniek gebruiken die interferometrie wordt genoemd, waar je signalen van twee schotels kunt combineren, "zei Slosar. "Nu, de vier schalen zullen zich gedragen als één heel groot gerecht. Dit is een standaardtechniek in de radioastronomie, maar het is belangrijk dat we de functionaliteit ervan testen in ons prototype om ons voor te bereiden op een groter experiment in de toekomst."

O'Connor heeft toegevoegd, "de constructie van de schotel werd grotendeels door studenten geleid. Afgelopen zomer hebben zeven studenten aan de telescoop gewerkt en dit jaar komen er nog meer."

In de jaren die komen, de prototype-telescoop zal een testbed blijven dienen voor interferometrie en andere onderzoekstechnieken die de wetenschappers hopen te gebruiken in een groter experiment. Andere plannen omvatten het gebruik van drones die radiobronnen vervoeren om de telescoop te kalibreren.

"We hebben altijd het plan gehad om van één gerecht naar vier te gaan, en nu we dat hebben gedaan, we beschouwen het ontwerp van dit testbedinstrument als voltooid, "Zei Slosar. "Als we klaar zijn voor verdere upgrades, die zullen worden gepland voor een groter experiment. Voor nu, dit prototype zal een testbed voor de lange termijn zijn terwijl we overgaan naar de onderzoeks- en ontwikkelingsfase voor een groter project."

Tot dusver, het prototype heeft zichzelf al bewezen als een veelbelovende nieuwe manier om het universum te "zien".

"We hebben onze gegevens vergeleken met bestaande gegevens die radiotelescopen van de Melkweg hebben geproduceerd, en het past perfect, " zei Chris Sheehy, een natuurkundige in Brookhaven. "Het verschil is dat de 'bandbreedte' van ons prototype met een factor 100 wordt vergroot. terwijl andere experimenten de Melkweg op een zeer smalle frequentieband in kaart hebben gebracht, we zien dat bereik als een smalle streep in onze gegevens, en we kunnen ook een factor 100 meer zien."

Wat betreft een groter radiotelescoopproject, de onderzoekers blijven samenwerken met andere nationale laboratoria en door DOE ondersteunde universiteiten om een ​​casus op te bouwen; ze ontwerpen een concept dat ze in de komende 10 jaar tot leven hopen te zien komen. Succesvolle waarnemingen van Brookhavens prototype zouden een van de vele belangrijke voorbeelden zijn om een ​​dergelijk experiment op grotere en internationale schaal te ondersteunen.