Nyt radioteleskop i Brookhaven ser rummet i et andet lys

En ny prototype radioteleskop er begyndt at observere universet ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory. Konstrueret af et team af forskere, ingeniører, tømrere, og studerende, prototypen af ​​teleskopet blev finansieret gennem Brookhavens Laboratory Directed Research and Development-program. Brookhaven videnskabsmænd og samarbejdspartnere vil bruge den lille prototype til at teste fordelene ved et radioteleskop på stedet i laboratoriet, udvikle nye måder at angribe grundlæggende problemer på, og bryde ind i feltet af 21 centimeter kosmologi – studiet af vores univers' oprindelse gennem radiosignaler udsendt af brintgas i fjerne galakser.

Kosmologer har primært brugt optiske teleskoper - teleskoper, der observerer rummet gennem synligt lys - til at studere galakser og deres fordelinger i rum og tid. Disse teleskoper er ekstremt avancerede, og dem som Large Synoptic Survey Telescope (LSST), der nu er under konstruktion i Chile, er fuldt optimeret til kosmologiske applikationer; imidlertid, optiske teleskoper er også ekstremt dyre at bygge. Det er derfor, Brookhaven undersøger radioteleskoper som et alternativ, omkostningseffektiv måde at observere universet på.

"Hvis vi vil lære mere om universet, radioteleskoper er en spændende vej frem, " sagde Chris Sheehy, en fysiker i Brookhaven.

Radio- og optiske teleskoper har et lignende design:de inkluderer begge et kamera og et fokuseringselement, der reflekterer lys for at generere et billede af universet. Men i modsætning til optiske teleskoper, som bruger et glasspejl til at reflektere synligt lys, radioteleskoper kan bruge en metalreflektorskål, der koster omkring 100 gange mindre end et glasspejl af samme størrelse.

"Radiobølger er som normalt lys, kun med meget længere bølgelængder, " sagde Anže Slosar, en fysiker ved Brookhaven Lab. Radiobølgernes lange bølgelængder får radioteleskoper til at producere et billede af universet med meget lavere opløsning, end hvad et optisk teleskop af samme størrelse kunne producere.

Tager et præcist billede af universet

I traditionel radioastronomi - studiet af individuelle himmellegemer ved hjælp af radiobølger - bruges meget store radioskåle eller en samling vidt adskilte retter til at forbedre billedopløsningen. Til kosmologiske anvendelser, imidlertid, en anden slags radioteleskop er nødvendig:et, der kan observere store pletter af himlen med ekstrem præcis intensitet, men kun beskeden opløsning.

"At have et lille radioteleskop, der ser et meget sløret billede af universet, er OK, " sagde Slosar, "fordi vi ikke er interesserede i at observere individuelle objekter. Vi kan måle store dele af universet og stadig måle de samme statistiske størrelser, som vi normalt gør ved hjælp af galakser."

Et meget følsomt radioteleskop er nødvendigt for kosmologer, fordi deres observationer er afhængige af et meget svagt signal fra neutral brintgas, en kosmologisk markør, der findes i alle galakser. Brintsignalet er så svagt, at det kun kan detekteres ved omhyggeligt at trække støj og interfererende radiobølger fra vores egen galakse (se figur). Kosmologer ved Brookhaven er ikke de første til at søge efter denne kosmologiske markør; et fuldt finansieret eksperiment kaldet Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment er i gang, og en lignende indsats overvejes for Sydafrika. Brookhaven-eksperimentet er betydeligt mindre, men dens mål er anderledes.

"I stedet for at gå direkte mod et konkurrenceeksperiment, vi starter med en lille R&D-prototype for at udvikle teknikken, " sagde Hindy Drillick, en bachelorstuderende ved Stony Brook University, som deltager i eksperimentet. "Vi har et smukt fleksibelt system, som man kan gå til, rode med, og prøv hurtigt forskellige teknikker." Brookhaven-teamet håber at bruge prototypen til at udvikle og teste nye kalibrerings- og karakteriseringsteknikker til radioteleskoper.

Et unikt perspektiv af det ydre rum

At observere meget fjerne galakser er en vanskelig opgave, fordi deres stjernelys ser meget rødt ud, et resultat af universets igangværende udvidelse. Rødt lys kræver, at dyrere detektorer observeres og er mere tilbøjelige til at blive absorberet i atmosfæren. Fjerne galakser er også i sig selv svagere og færre i antal.

"Sammenlignet med optiske teleskoper, radioteleskoper kan se længere ud - længere tilbage i tiden og længere afstande i universet, " sagde Paul Stankus, en fysiker ved Oak Ridge National Laboratory og en samarbejdspartner på radioteleskopet.

Radioteleskoper er også særligt bekvemme for kosmologer, fordi deres design eliminerer behovet for at justere teleskopets position.

"Hvis du ville se på en stjerne med et optisk teleskop, du bliver nødt til konstant at justere teleskopets position for at få et klart billede. Men vi kan pege vores radioteleskop lige mod zenit, og lad himlen bevæge sig forbi teleskopet, mens jorden roterer, " sagde Will Tyndall, en kandidatstuderende ved Stony Brook University, som i øjeblikket arbejder med teleskopet. "Du kan forestille dig det, som om du observerede et Jackson Pollock-maleri. At bruge et optisk teleskop ville svare til at se på hver eneste prik i maleriet, og derefter sætte alle prikkerne på en graf for at se, hvor de er placeret. At bruge et radioteleskop ville være langsomt at se på maleriet fra venstre mod højre for at se hele billedet."

I øvrigt, radioteleskoper kan styres elektronisk og kræver ikke de dyre sporingsmotorer, der bruges på optiske teleskoper.

Aktuelle udfordringer og planer for et avanceret eksperiment

Brookhavens prototypeteleskop er placeret på laboratoriets område, hvor radiofrekvensinterferens genereret af den nærliggende vejrradar, udsende tv, og mobiltelefontårne ​​komplicerer observationer. Håndtering af radiointerferensen med prototypen vil forberede Brookhaven-forskere til at tage nøjagtige målinger af universet med et mere avanceret teleskop.

"Medmindre du går til bagsiden af ​​månen, der vil altid være radiofrekvensinterferens, selv midt i ørkenen, " sagde Paul O'Connor, en seniorforsker ved Brookhavens instrumenteringsafdeling, "så vi er nødt til at forstå, hvordan vi kan afbøde denne interferens for at forbedre vores observationer. Hvis vi kan gøre det på Brookhaven-stedet, vi kan gøre det hvor som helst."

Gruppen forventer at bruge omkring fem år på at eksperimentere med prototypen for at demonstrere løftet om radioteleskoper til kosmologiske studier på laboratoriet, og at teste forskellige designvalg til et avanceret eksperiment.

Prototypen er et samarbejde mellem Physics Department og Instrumentation Division i Brookhaven. "Denne kombination er enestående kraftfuld, "Slosar sagde. "Vores laboratorium muliggør denne stærke forbindelse mellem dem, der kender møtrikker og bolte af hardware og dem, der kan lave analyser på højt niveau."

De to grupper har samarbejdet om LSST i over et årti, og radioteleskopet kunne forlænge dette samarbejde, efter at LSST byggeprojektet er afsluttet i slutningen af ​​årtiet.

Parallelt, Brookhaven-forskere samarbejder med andre nationale laboratorier og DOE-støttede universiteter for at bygge sagen til et større radioteleskop. Eksperimentet ville blive placeret på et fjerntliggende sted, og ville involvere mange DOE-laboratorier og potentielt andre agenturer. Succesfulde observationer fra Brookhavens prototype ville være et af mange vigtige eksempler til at understøtte et sådant eksperiment i større og international målestok.