Un nuovo prototipo di radiotelescopio ha iniziato a osservare l'universo presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Costruito da un team di scienziati, ingegneri, falegnami, e studenti, il prototipo di telescopio è stato finanziato attraverso il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Brookhaven. Gli scienziati e i collaboratori di Brookhaven utilizzeranno il piccolo prototipo per testare i meriti di un radiotelescopio in loco presso il laboratorio, sviluppare nuovi modi di affrontare i problemi fondamentali, e irrompere nel campo della cosmologia di 21 centimetri, lo studio delle origini del nostro universo attraverso i segnali radio emessi dal gas idrogeno in galassie lontane.

I cosmologi hanno utilizzato principalmente i telescopi ottici, telescopi che osservano lo spazio attraverso la luce visibile, per studiare le galassie e la loro distribuzione nello spazio e nel tempo. Questi telescopi sono estremamente avanzati, e quelli come il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) ora in costruzione in Cile sono completamente ottimizzati per applicazioni cosmologiche; però, i telescopi ottici sono anche estremamente costosi da costruire. Ecco perché Brookhaven sta studiando i radiotelescopi come alternativa, modo conveniente per osservare l'universo.

"Se vogliamo saperne di più sull'universo, i radiotelescopi sono un modo entusiasmante per il futuro, " ha detto Chris Sheehy, un fisico a Brookhaven.

I telescopi radio e ottici hanno un design simile:entrambi includono una fotocamera e un elemento di messa a fuoco che riflette la luce per generare un'immagine dell'universo. Ma a differenza dei telescopi ottici, che utilizzano uno specchio di vetro per riflettere la luce visibile, i radiotelescopi possono utilizzare un riflettore in metallo che costa circa 100 volte meno di uno specchio di vetro delle stesse dimensioni.

"Le onde radio sono come la luce normale, solo con lunghezze d'onda molto più lunghe, " disse Anze Slosar, un fisico al Brookhaven Lab. Le lunghe lunghezze d'onda delle onde radio fanno sì che i radiotelescopi producano un'immagine dell'universo con una risoluzione molto più bassa di quella che potrebbe produrre un telescopio ottico delle stesse dimensioni.

Catturare un'immagine precisa dell'universo

Nella radioastronomia tradizionale, lo studio di singoli oggetti celesti utilizzando le onde radio, vengono utilizzate antenne radio molto grandi o una raccolta di antenne ampiamente separate per migliorare la risoluzione dell'immagine. Per applicazioni cosmologiche, però, occorre un radiotelescopio di tipo diverso:uno in grado di osservare ampie porzioni di cielo con intensità estremamente precisa, ma solo modesta risoluzione.

"Avere un piccolo radiotelescopio che vede un'immagine molto sfocata dell'universo va bene, "Slosar ha detto, "perché non siamo interessati all'osservazione di singoli oggetti. Possiamo misurare grandi aree dell'universo e comunque misurare le stesse quantità statistiche che normalmente facciamo usando le galassie".

Un radiotelescopio altamente sensibile è necessario per i cosmologi perché le loro osservazioni si basano su un segnale molto debole proveniente dal gas idrogeno neutro, un marcatore cosmologico che si trova in tutte le galassie. Il segnale dell'idrogeno è così debole che può essere rilevato solo sottraendo con attenzione il rumore e le onde radio interferenti dalla nostra galassia (vedi figura). I cosmologi di Brookhaven non sono i primi a cercare questo indicatore cosmologico; è in corso un esperimento interamente finanziato chiamato Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, e uno sforzo simile è allo studio per il Sudafrica. L'esperimento di Brookhaven è considerevolmente più piccolo, ma i suoi obiettivi sono diversi.

"Piuttosto che andare dritti verso un esperimento competitivo, stiamo iniziando con un piccolo prototipo di ricerca e sviluppo per sviluppare la tecnica, " ha detto Hindy Drillick, uno studente universitario della Stony Brook University che sta partecipando all'esperimento. "Abbiamo un sistema meravigliosamente flessibile che si può raggiungere a piedi, smanettare, e provare rapidamente diverse tecniche." Il team di Brookhaven spera di utilizzare il prototipo per sviluppare e testare nuove tecniche di calibrazione e caratterizzazione per i radiotelescopi.

Una prospettiva unica dello spazio esterno

Osservare galassie molto distanti è un compito difficile perché la loro luce stellare appare molto rossa, conseguenza della continua espansione dell'universo. La luce rossa richiede l'osservazione di rivelatori più costosi ed è più probabile che venga assorbita nell'atmosfera. Le galassie lontane sono anche intrinsecamente più deboli e di numero inferiore.

"Rispetto ai telescopi ottici, i radiotelescopi possono vedere più lontano, più indietro nel tempo e più lontano nell'universo, "ha detto Paul Stankus, un fisico all'Oak Ridge National Laboratory e un collaboratore del radiotelescopio.

I radiotelescopi sono anche particolarmente convenienti per i cosmologi perché il loro design elimina la necessità di regolare la posizione del telescopio.

"Se volessi guardare una stella con un telescopio ottico, dovresti regolare continuamente la posizione del telescopio per ottenere un'immagine chiara. Ma possiamo puntare il nostro radiotelescopio direttamente allo zenit, e lascia che il cielo si muova oltre il telescopio mentre la terra ruota, " disse Will Tyndall, uno studente laureato alla Stony Brook University che sta attualmente lavorando con il telescopio. "Puoi immaginarlo come se stessi osservando un dipinto di Jackson Pollock. Usare un telescopio ottico sarebbe l'equivalente di guardare ogni singolo punto nel dipinto, e poi mettendo tutti i punti su un grafico per vedere dove si trovano. Usare un radiotelescopio significherebbe guardare lentamente il dipinto da sinistra a destra per vedere l'intera immagine".

Inoltre, i radiotelescopi possono essere guidati elettronicamente e non richiedono i costosi motori di tracciamento utilizzati sui telescopi ottici.

Sfide attuali e piani per un esperimento avanzato

Il prototipo di telescopio di Brookhaven si trova nei terreni del laboratorio, dove le interferenze in radiofrequenza generate dal vicino radar meteorologico, trasmissione televisiva, e le torri dei cellulari complicano le osservazioni. La gestione dell'interferenza radio con il prototipo preparerà gli scienziati di Brookhaven a effettuare misurazioni accurate dell'universo con un telescopio più avanzato.

"A meno che tu non vada sul lato posteriore della luna, ci saranno sempre interferenze in radiofrequenza, anche in mezzo al deserto, "ha detto Paul O'Connor, uno scienziato senior presso la divisione strumentazione di Brookhaven, "quindi dobbiamo capire come mitigare quell'interferenza per migliorare le nostre osservazioni. Se possiamo farlo nel sito di Brookhaven, possiamo farlo ovunque".

Il gruppo prevede di trascorrere circa cinque anni a sperimentare il prototipo per dimostrare la promessa dei radiotelescopi per gli studi di cosmologia presso il Lab, e per testare varie scelte progettuali per un esperimento avanzato.

Il prototipo è uno sforzo collaborativo tra il Dipartimento di Fisica e la Divisione Strumentazione a Brookhaven. "Questa combinazione è straordinariamente potente, " Ha detto Slosar. "Il nostro laboratorio consente questa forte connessione tra coloro che conoscono i dadi e i bulloni dell'hardware e coloro che possono fare analisi di alto livello".

I due gruppi collaborano su LSST da oltre un decennio, e il radiotelescopio potrebbe estendere questa collaborazione dopo che il progetto di costruzione dell'LSST sarà completato alla fine del decennio.

In parallelo, Gli scienziati di Brookhaven stanno collaborando con altri laboratori nazionali e università supportate dal DOE per costruire il caso di un radiotelescopio più grande. L'esperimento sarebbe situato in un sito remoto, e coinvolgerebbe molti laboratori DOE e potenzialmente altre agenzie. Osservazioni di successo dal prototipo di Brookhaven sarebbero uno dei tanti esempi importanti per supportare un tale esperimento su scala più ampia e internazionale.