Radioteleskop bliver opgraderet i Brookhaven lab

Et radioteleskop ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory har modtaget en betydelig opgradering, går fra én ret til fire. Opgraderingerne er en del af laboratoriets igangværende indsats for at teste fordelene ved et radioteleskop til et potentielt fremtidigt projekt mellem nationale laboratorier og DOE-sponsorerede universiteter. Forskernes ultimative mål er at se dybt ind i universet og få en bedre forståelse af perioder med accelereret ekspansion og karakteren af ​​mørk energi.

"I studiet af universet, det første mål er at undersøge store strukturer over så meget kosmisk volumen og tid som muligt, " sagde Anže Slosar, en fysiker ved Brookhaven Lab. "Nu, vi eksperimenterer med en ny teknik, der er afhængig af radiobølger, og det kunne gøre os i stand til at observere universet meget mere effektivt."

Kortlægning af universet med radiobølger

Kosmologer bruger primært optiske teleskoper - teleskoper, der observerer rummet gennem synligt lys - til at studere galakser og deres fordelinger i rum og tid. Optiske teleskoper kan registrere det svage lys, der udsendes fra galakser, der er så langt væk fra Jorden, at deres lys har taget 11 milliarder år at nå os. Men radioteleskoper, som registrerer radiobølger produceret ved en bestemt bølgelængde af brintgas i fjerne galakser – et forskningsfelt kaldet 21 centimeter kosmologi – kan gøre det muligt for forskere at "se" et andet billede af universet.

"Sammenlignet med optiske teleskoper, radioteleskoper kunne også 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 Brookhavens radioteleskop.

Radioteleskoper har et lignende design som optiske teleskoper; de inkluderer begge et kamera og et fokuseringselement, der reflekterer lys for at generere et billede af universet. Men i stedet for at have et glasspejl, der reflekterer synligt lys, radioteleskoper kan bruge en metalreflektorskål, der koster omkring 100 gange mindre end et glasspejl af samme størrelse, gør dem til en meget mere omkostningseffektiv måde at observere universet på.

Traditionelle radioteleskoper til astronomiske undersøgelser bruger store radioskåle, eller en samling vidt adskilte retter, for at få billeder i høj opløsning af individuelle himmellegemer. For Brookhavens kosmologiske anvendelser, imidlertid, en anden slags radioteleskop er nødvendig:et, der kan observere store pletter på himlen med beskeden opløsning, og kan registrere ændringer i intensiteten af ​​indkommende radiobølger med ekstrem præcision.

"Til vores formål, at se et meget sløret billede af universet er okay, fordi vi ikke er interesserede i at observere individuelle objekter. Vi ønsker at måle store dele af universet, " sagde Slosar. "At bruge radioemissioner til at måle strukturer i dybt rum over meget store volumener vil hjælpe os med at få en bedre forståelse af de grundlæggende egenskaber af vores univers."

Registrerer interferens

Det nuværende radioteleskop på stedet ved Brookhaven Lab er en lille prototype, og den blev først installeret i 2017. I første omgang, prototypen tjente som et testbed for forskere til at styre radiofrekvensinterferens genereret af den nærliggende vejrradar, udsende tv, og mobiltelefontårne. At forstå, hvordan man afbøder disse store kilder til interferens, vil forberede gruppen til at håndtere mindre kilder til interferens, hvis et større teleskop er konstrueret på et mere fjerntliggende sted.

I løbet af de første måneder af observationer, forskerne opdagede denne forventede interferens, men de fandt også noget mere usædvanligt.

"Vi så mystiske signaler, der så ud til at komme fra en astronomisk radiokilde, " sagde Paul O'Connor, en seniorforsker i Brookhavens instrumenteringsafdeling. "De dukkede op igen i det rigtige tidsinterval, men ikke helt i den rigtige vinkel og position på himlen, og uden det forventede frekvensspektrum."

Efter at have karakteriseret signalerne og kalibreret teleskopet, de fastslog, at signalerne kom fra navigationssatellitter, hvis kredsløb tilfældigvis passerede direkte over parabolen.

"Vores radioteleskop kan se snesevis af navigationssatellitter fra hele verden, men det er ikke rigtig en præstation, " sagde Slosar. "Disse satellitter er så kraftige, at vores telefoner kan se dem. Præstationen var at detektere disse satellitter ud over deres tildelte frekvensbånd, hvor de er omkring 1, 000 gange mindre kraftfuldt." Dette laveffektsignal er stadig i stand til at forårsage problemer for radioteleskoper, så at identificere signalet og lære at arbejde med det er et afgørende skridt i retning af at forberede et større radioteleskopprojekt.

Fra én ret til fire

Succesfulde målinger i det første år af observationer og yderligere finansiering gennem Brookhavens Laboratory Directed Research and Development-program har gjort det muligt for forskerne at forbedre prototype-teleskopet og indsamle mere avancerede data. Mest væsentligt, teleskopet er blevet opgraderet fra et parabol til fire.

"At have fire retter gør det muligt for os at bruge en teknik kaldet interferometri, hvor du kan kombinere signaler fra to retter, " sagde Slosar. "Nu, de fire retter vil fungere som et meget stort fad. Dette er en standardteknik inden for radioastronomi, men det er vigtigt, at vi tester dens funktionalitet i vores prototype for at forberede os på et større eksperiment i fremtiden."

O'Connor tilføjede, "skålkonstruktionen var stort set elevstyret. Vi havde syv studerende, der arbejdede på teleskopet sidste sommer, og vi har flere på vej i år."

I de kommende år, prototype-teleskopet vil fortsat tjene et testbed for interferometri og andre forskningsteknikker, som forskerne håber at kunne bruge i et større eksperiment. Andre planer inkluderer at bruge droner, der bærer radiokilder til at kalibrere teleskopet.

"Vi har altid haft planen om at gå fra én ret til fire, og nu hvor vi har gjort det, vi betragter designet af dette testbed instrument som komplet, " sagde Slosar. "Når vi er klar til yderligere opgraderinger, disse vil blive planlagt til et større eksperiment. For nu, denne prototype vil være et langsigtet testbed, mens vi går over til forsknings- og udviklingsfasen for et større projekt."

Indtil nu, prototypen har allerede bevist sig selv som lovende ny måde at "se" universet på.

"Vi har sammenlignet vores data med eksisterende data, som radioteleskoper har produceret om Mælkevejen, og det passer perfekt, " sagde Chris Sheehy, en fysiker i Brookhaven. "Forskellen er, at 'båndbredden' af vores prototype øges med en faktor 100. Så, mens andre eksperimenter har kortlagt Mælkevejen ved et meget smalt frekvensbånd, vi ser det interval som en smal stribe i vores data, og vi kan også se en faktor 100 mere."

Med hensyn til et større radioteleskopprojekt, forskerne fortsætter med at samarbejde med andre nationale laboratorier og DOE-støttede universiteter for at bygge en case; de er ved at designe et koncept, som de håber at se komme til live i de næste 10 år. Succesfulde observationer fra Brookhavens prototype ville være et af mange vigtige eksempler til at understøtte et argument for et sådant eksperiment i større og international skala.