Un radiotelescopio presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha ricevuto un aggiornamento significativo, passando da un piatto a quattro. Gli aggiornamenti fanno parte dello sforzo in corso del Laboratorio per testare i meriti di un radiotelescopio per un potenziale progetto futuro tra i laboratori nazionali e le università sponsorizzate dal DOE. L'obiettivo finale degli scienziati è guardare in profondità nell'universo e ottenere una migliore comprensione dei periodi di espansione accelerata e della natura dell'energia oscura.

"Nello studio dell'universo, il primo obiettivo è quello di esaminare strutture su larga scala per quanto più volume e tempo cosmici possibile, " disse Anze Slosar, un fisico al Brookhaven Lab. "Ora, stiamo sperimentando una nuova tecnica che si basa sulle onde radio, e potrebbe consentirci di osservare l'universo in modo molto più efficiente."

Mappare l'universo con le onde radio

I cosmologi utilizzano 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. I telescopi ottici possono rilevare la debole luce emessa dalle galassie che sono così lontane dalla Terra che la loro luce ha impiegato 11 miliardi di anni per raggiungerci. Ma i radiotelescopi, che rilevano le onde radio prodotte a una particolare lunghezza d'onda dal gas idrogeno in galassie lontane - un campo di ricerca chiamato cosmologia di 21 centimetri - può consentire agli scienziati di "vedere" un'immagine diversa dell'universo.

"Rispetto ai telescopi ottici, i radiotelescopi potevano anche 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 di Brookhaven.

I radiotelescopi hanno un design simile ai telescopi ottici; entrambi includono una fotocamera e un elemento di messa a fuoco che riflette la luce per generare un'immagine dell'universo. Ma invece di avere uno specchio di vetro che riflette 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, rendendoli un modo molto più conveniente per osservare l'universo.

I radiotelescopi tradizionali per studi astronomici utilizzano grandi parabole, o una collezione di piatti ampiamente separati, per ottenere immagini ad alta risoluzione di singoli oggetti celesti. Per le applicazioni cosmologiche di Brookhaven, però, occorre un radiotelescopio di tipo diverso:uno in grado di osservare ampie porzioni di cielo con una risoluzione modesta, e può rilevare i cambiamenti nell'intensità delle onde radio in arrivo con estrema precisione.

"Per i nostri scopi, vedere un'immagine molto sfocata dell'universo va bene perché non ci interessa osservare i singoli oggetti. Vogliamo misurare vaste aree dell'universo, " ha detto Slosar. "Utilizzare le emissioni radio per misurare le strutture nello spazio profondo su volumi molto grandi ci aiuterà a ottenere una migliore comprensione delle proprietà fondamentali del nostro universo".

Rilevamento delle interferenze

L'attuale radiotelescopio in loco al Brookhaven Lab è un piccolo prototipo, ed è stato installato per la prima volta nel 2017. Inizialmente, il prototipo è servito come banco di prova per gli scienziati per gestire le interferenze in radiofrequenza generate dal vicino radar meteorologico, trasmissione televisiva, e ripetitori per cellulari. Capire come mitigare queste grandi fonti di interferenza preparerà il gruppo a gestire fonti di interferenza più piccole se un telescopio più grande viene costruito in un sito più remoto.

Durante i primi mesi di osservazione, gli scienziati hanno rilevato questa interferenza prevista, ma trovarono anche qualcosa di più insolito.

"Abbiamo visto segnali misteriosi che sembravano provenire da una sorgente radio astronomica, "ha detto Paul O'Connor, uno scienziato senior nella divisione strumentazione di Brookhaven. "Sono riapparsi al giusto intervallo di tempo, ma non proprio alla giusta angolazione e posizione del cielo, e senza lo spettro di frequenza previsto."

Dopo aver caratterizzato i segnali e calibrato il telescopio, hanno determinato che i segnali provenivano da satelliti di navigazione le cui orbite passavano direttamente sulla parabola.

"Il nostro radiotelescopio può vedere dozzine di satelliti di navigazione da tutto il mondo, ma non è proprio un traguardo, Slosar ha detto. "Questi satelliti sono così potenti che i nostri telefoni possono vederli. Il risultato è stato rilevare questi satelliti oltre la loro banda di frequenza assegnata, dove sono circa 1, 000 volte meno potente." Questo segnale a bassa potenza è ancora in grado di causare problemi ai radiotelescopi, quindi identificare il segnale e imparare a lavorarci è un passo cruciale verso la preparazione per un progetto di radiotelescopio più ampio.

Da un piatto a quattro

Misure di successo nel primo anno di osservazioni e finanziamenti aggiuntivi attraverso il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Brookhaven hanno permesso ai ricercatori di migliorare il prototipo del telescopio e raccogliere dati più avanzati. Più significativamente, il telescopio è stato aggiornato da un piatto a quattro.

"Avere quattro parabole ci permette di usare una tecnica chiamata interferometria, dove è possibile combinare i segnali di due piatti, " Disse Slosar. "Ora, i quattro piatti agiranno come un piatto molto grande. Questa è una tecnica standard in radioastronomia, ma è importante testare la sua funzionalità nel nostro prototipo per prepararci a un esperimento più ampio in futuro".

O'Connor ha aggiunto, "la costruzione del piatto è stata in gran parte guidata dagli studenti. Abbiamo avuto sette studenti che lavoravano al telescopio la scorsa estate e quest'anno ne abbiamo altri in arrivo".

Negli anni a venire, il prototipo del telescopio continuerà a fungere da banco di prova per l'interferometria e altre tecniche di ricerca che gli scienziati sperano di utilizzare in un esperimento più ampio. Altri piani includono l'utilizzo di droni che trasportano sorgenti radio per calibrare il telescopio.

"Abbiamo sempre pensato di passare da un piatto a quattro, e ora che l'abbiamo fatto, consideriamo la progettazione di questo strumento del banco di prova completa, " Disse Slosar. "Quando saremo pronti per ulteriori aggiornamenti, quelli saranno pianificati per un esperimento più grande. Per adesso, questo prototipo sarà un banco di prova a lungo termine mentre passiamo alla fase di ricerca e sviluppo per un progetto più ampio".

Finora, il prototipo si è già dimostrato promettente nuovo modo di "vedere" l'universo.

"Abbiamo confrontato i nostri dati con i dati esistenti che i radiotelescopi hanno prodotto sulla Via Lattea, e si abbina perfettamente, " ha detto Chris Sheehy, un fisico a Brookhaven. "La differenza è che la 'larghezza di banda' del nostro prototipo è aumentata di un fattore 100. Quindi, mentre altri esperimenti hanno mappato la Via Lattea a una banda di frequenza molto stretta, vediamo quell'intervallo come una striscia stretta nei nostri dati, e possiamo anche vedere un fattore di 100 in più".

Per quanto riguarda un progetto di radiotelescopio più ampio, i ricercatori stanno continuando a collaborare con altri laboratori nazionali e università supportate dal DOE per costruire un caso; stanno progettando un concetto che sperano di vedere prendere vita nei prossimi 10 anni. Osservazioni di successo dal prototipo di Brookhaven sarebbero uno dei tanti esempi importanti a sostegno di un caso per un tale esperimento su scala più ampia e internazionale.