La enorme antena en la foto de arriba es el Observatorio de Radioastronomía de Murchison en Australia Occidental. Se compone de 36 complejos con antenas de espejo que funcionan en la banda de 1,4 GHz. El espejo principal de cada antena alcanza los 12 metros de diámetro, y juntas la antena es solo una parte del radiotelescopio Pathfinder. Docenas de tales antenas trabajan juntas para ver los horizontes más lejanos del universo, pero pronto se planean combinar cientos de miles de antenas en un solo sistema. Para quién es interesante, pregunto bajo kat.
Los radiotelescopios de tipo Pathfinder se implementan en todo el planeta y muchos de ellos planean integrarse en el sistema de matriz de kilómetros cuadrados (SKA) con un área de recepción total de más de un kilómetro cuadrado para 2030. Será un complejo de dos mil sistemas de antenas en África y medio millón de complejos de radio de Australia Occidental.
El proyecto, en el que Australia, Canadá, China, India, Italia, los Países Bajos, Nueva Zelanda, Sudáfrica, Suecia y el Reino Unido están trabajando simultáneamente, resolverá muchos secretos del universo. Podrá medir una gran cantidad de púlsares, fragmentos estelares y otros cuerpos cósmicos que emiten ondas electromagnéticas a lo largo de sus polos magnéticos. Al observar tales objetos cerca de los agujeros negros, se pueden descubrir nuevas leyes físicas y, tal vez, se desarrollará una teoría unificada de la mecánica cuántica y la gravedad.
El trabajo en la construcción de SKA se llevará a cabo en varias etapas desde la construcción del sistema SKA1 y otros componentes más pequeños. SKA-1 en sí consistirá en SKA1-mid en el sur de África y SKA1-low en Australia.
El SKA-mid que se muestra en la foto consistirá en 197 antenas con un diámetro de hasta 15 metros cada una
SKA1-low está diseñado para recolectar ondas de radio de baja frecuencia que aparecieron en el espacio hace varios miles de millones de años. Para recibir tales ondas, se utilizarán pequeñas antenas de torniquete. Reciben señales en un amplio rango de frecuencias, dado televisión y FM. Las antenas SKA1-low operan en el rango de 50 a 350 MHz, su apariencia se muestra a continuación:
La administración del proyecto planea instalar más de 131 mil de tales antenas para 2024. Todos ellos se dividirán en grupos de 256 piezas cada uno, y sus señales se combinarán y transmitirán a través de una línea de comunicación de fibra óptica.
El principio de funcionamiento de las antenas en una matriz es similar al funcionamiento de un telescopio óptico. La única diferencia es que el radiotelescopio no se enfoca en la radiación óptica, sino en las ondas de radio. Y la longitud de onda aceptada, mayor es el diámetro de la antena espejo, como el radiotelescopio FAST en China, que también se convertirá en parte de SKA en el futuro.
El problema es que aumentar infinitamente el tamaño del espejo no funcionará, y construir estructuras poderosas como FAST no funcionará en todas partes. Es por eso que es más fácil usar muchas antenas distribuidas más pequeñas. Un ejemplo es la antena de radioastronomía Murchison Widefield Array (MWA). Las antenas MWA operan en el rango de 80 a 300 MHz:
Estas antenas también son parte de SKA1-low en Australia y pueden observar el período oscuro del universo primitivo, que existía hace 13 millones de años en el momento en que emergían las estrellas y otros objetos comenzaron a calentar el universo lleno de átomos de hidrógeno. Es de destacar que todavía es posible detectar ondas de radio emitidas por estos átomos de hidrógeno neutros. Las ondas se emitieron con una longitud de onda de 21 cm, pero cuando llegaron a la Tierra, miles de millones de años de expansión espacial habían pasado, extendiéndolos por varios metros más.
La siguiente imagen muestra las secciones con antenas MWA. Cada sección contiene 16 antenas que están interconectadas en una sola red utilizando fibra óptica:
Las antenas MWA reciben ondas de radio en partes de diferentes direcciones al mismo tiempo. Las señales entrantes se amplifican en el centro de cada antena utilizando un par de amplificadores de bajo ruido y luego se envían al modelador de haz más cercano. Allí, las guías de onda de varias longitudes dan a las señales de antena un cierto retraso. Con la elección correcta de este retraso, los modeladores de haz “inclinan” el patrón de radiación de la matriz para que las ondas de radio provenientes de cierta parte del cielo lleguen a la antena al mismo tiempo, como si fueran recibidas por una antena grande.
Dichas antenas se dividen en dos grupos, cada uno de los cuales envía señales a un receptor. Distribuye las señales entre diferentes canales de frecuencia. Después de que la óptica del receptor envía una señal al observatorio. Allí, los datos se correlacionan multiplicando las señales e integrándolas con el tiempo. Este enfoque le permite crear una única señal fuerte, como si fuera recibida por un radiotelescopio grande.
El rango de visibilidad de un radiotelescopio virtual de este tipo también es proporcional a su tamaño. En el caso de un telescopio que consta de muchas antenas, su resolución máxima estará determinada por la distancia entre las partes receptoras. Y cuanto más grande es, más precisa es la resolución.
Gracias a esta propiedad, los astrónomos crean telescopios virtuales que cubren continentes. Gracias a tal coloso, incluso es posible discernir agujeros negros en el centro de la Vía Láctea. Sin embargo, el tamaño no es lo principal para obtener información precisa sobre el objeto estudiado en el universo. La calidad de la resolución se ve afectada por el número total de antenas y su ubicación entre sí.
Los datos obtenidos con MWA se envían cientos de kilómetros al centro de datos más cercano con una supercomputadora. MWA puede enviar más de 25 terabytes de datos por día y en los próximos años con el lanzamiento de SKA1-low, esta velocidad será aún mayor. Y 131,000 antenas en el radiotelescopio bajo SKA1, trabajando en una matriz común, recolectarán más de un terabyte de datos todos los días.
Y así es como se resuelve el problema con la fuente de alimentación de radiotelescopios. En el Observatorio de Radioastronomía de Murchison, los paneles solares con una capacidad de 1,6 megavatios suministran energía para los complejos de antenas:
Hasta hace poco, las antenas del observatorio funcionaban con generadores diésel, y ahora, además de los paneles solares, también tiene una gran cantidad de bloques de baterías de iones de litio que pueden almacenar 2,6 megavatios hora. Algunas partes del conjunto de antenas pronto recibirán sus propios paneles solares.
En proyectos tan ambiciosos, el tema de la financiación siempre es bastante grave. Actualmente, el presupuesto de construcción de SKA1 en Sudáfrica y Australia es de alrededor de 675 millones de euros. Esta es la cantidad establecida por 10 países miembros del proyecto: Australia, Canadá, China, India, Italia, Países Bajos, Nueva Zelanda, Sudáfrica, Suecia y el Reino Unido. Pero esta financiación no cubre el costo total de SKA1, que los astrónomos esperan. Por lo tanto, el observatorio está tratando de atraer a más países a una asociación que podría aumentar la financiación.
Los radiotelescopios le permiten observar objetos espaciales distantes: púlsares, quásares, etc. Aquí, por ejemplo, utilizando el radiotelescopio FAST, logramos detectar un radio pulsar en 2016:
