A enorme antena na foto acima é o Murchison Radio Astronomy Observatory, na Austrália Ocidental. É composto por 36 complexos com antenas espelhadas operando na banda de 1,4 GHz. O espelho principal de cada antena atinge 12 metros de diâmetro e, juntos, a antena é apenas parte do radiotelescópio Pathfinder. Dezenas dessas antenas trabalham juntas para ver os horizontes mais distantes do universo, mas em breve centenas de milhares de antenas estão planejadas para serem combinadas em um sistema. Para quem é interessante, pergunto sob kat.
Os radiotelescópios do tipo Pathfinder são implantados em todo o planeta e muitos deles planejam se integrar ao sistema Square Kilometer Array (SKA) com uma área total de recebimento de mais de um quilômetro quadrado até 2030. Será um complexo de dois mil sistemas de antena na África e meio milhão de complexos de rádio da Austrália Ocidental.
O projeto, que está sendo trabalhado simultaneamente pela Austrália, Canadá, China, Índia, Itália, Holanda, Nova Zelândia, África do Sul, Suécia e Reino Unido, resolverá muitos segredos do universo. Ele será capaz de medir um grande número de pulsares, fragmentos estelares e outros corpos cósmicos que emitem ondas eletromagnéticas ao longo de seus polos magnéticos. Observando esses objetos perto de buracos negros, novas leis físicas podem ser descobertas e, talvez, uma teoria unificada da mecânica quântica e da gravidade seja desenvolvida.
O trabalho na construção do SKA ocorrerá em várias etapas desde a construção do sistema SKA1 e outros componentes menores. O próprio SKA-1 consistirá em SKA1-mid no sul da África e SKA1-low na Austrália.
O SKA-mid mostrado na foto consistirá em 197 antenas com um diâmetro de até 15 metros cada
O SKA1-low foi projetado para coletar ondas de rádio de baixa frequência que apareceram no espaço há vários bilhões de anos atrás. Para receber essas ondas, pequenas antenas de catraca serão usadas. Eles recebem sinais em uma ampla faixa de frequência, considerando televisão e FM. As antenas SKA1-baixas operam na faixa de 50 a 350 MHz; sua aparência é mostrada abaixo:
O gerenciamento de projetos planeja instalar mais de 131 mil dessas antenas até 2024. Todos eles serão divididos em grupos de 256 peças cada, e seus sinais serão combinados e transmitidos através de uma linha de comunicação por fibra óptica.
O princípio de operação de antenas em uma matriz é semelhante ao funcionamento de um telescópio óptico. A única diferença é que o radiotelescópio não se concentra na radiação óptica, mas nas ondas de rádio. E o comprimento de onda aceito, maior o diâmetro da antena espelhada, como o radiotelescópio FAST na China, que também se tornará parte da SKA no futuro.
O problema é que aumentar infinitamente o tamanho do espelho não funcionará, e construir estruturas poderosas como o FAST não funcionará em todos os lugares. É por isso que é mais fácil usar muitas antenas menores distribuídas. Um exemplo é a antena de rádio astronomia Murchison Widefield Array (MWA). As antenas MWA operam na faixa de 80 a 300 MHz:
Essas antenas também fazem parte do SKA1-low na Austrália e podem olhar para o período sombrio do universo primitivo, que existia 13 milhões de anos atrás no momento em que as estrelas estavam surgindo e outros objetos começaram a aquecer o universo cheio de átomos de hidrogênio. Vale ressaltar que ainda é possível detectar ondas de rádio emitidas por esses átomos de hidrogênio neutros. As ondas emitiam um comprimento de onda de 21 cm, mas quando chegaram à Terra, bilhões de anos de expansão espacial haviam passado, esticando-as por vários metros.
A imagem abaixo mostra as seções com antenas MWA. Cada seção contém 16 antenas interconectadas em uma única rede usando fibra óptica:
As antenas MWA recebem ondas de rádio em partes de diferentes direções ao mesmo tempo. Os sinais recebidos são amplificados no centro de cada antena usando um par de amplificadores de baixo ruído e depois enviados para o modelador de feixe mais próximo. Lá, guias de ondas de vários comprimentos dão aos sinais da antena um certo atraso. Com a escolha certa desse atraso, os modeladores de feixe “inclinam” o padrão de radiação do array, de modo que as ondas de rádio vindas de uma determinada parte do céu cheguem à antena ao mesmo tempo, como se fossem recebidas por uma antena grande.
Essas antenas são divididas em dois grupos, cada um dos quais envia sinais para um receptor. Ele distribui os sinais entre os diferentes canais de frequência. Depois que o receptor óptico envia um sinal para o observatório. Lá, os dados são correlacionados multiplicando os sinais e integrando-os ao longo do tempo. Essa abordagem permite criar um único sinal forte, como se fosse recebido por um grande radiotelescópio.
O alcance da visibilidade de um radiotelescópio virtual também é proporcional ao seu tamanho. No caso de um telescópio composto por muitas antenas, sua resolução máxima será determinada pela distância entre as partes receptoras. E quanto maior, mais precisa é a resolução.
Graças a essa propriedade, os astrônomos criam telescópios virtuais que cobrem continentes. Graças a esse colosso, é possível discernir buracos negros no centro da Via Láctea. No entanto, o tamanho não é a principal coisa para obter informações precisas sobre o objeto estudado no universo. A qualidade da resolução é afetada pelo número total de antenas e sua localização em relação uma à outra.
Os dados obtidos usando o MWA são enviados centenas de quilômetros ao data center mais próximo com um supercomputador. O MWA pode enviar mais de 25 terabytes de dados por dia e, nos próximos anos, com o lançamento do SKA1-low, essa velocidade se tornará ainda mais alta. E 131.000 antenas no radiotelescópio SKA1, trabalhando em uma matriz comum, coletarão mais de um terabyte de dados todos os dias.
E é assim que o problema com a fonte de alimentação dos radiotelescópios é resolvido. No Murchison Radio Astronomy Observatory, a fonte de alimentação para complexos de antenas é fornecida por painéis solares com capacidade de 1,6 megawatts:
Até recentemente, as antenas do observatório operavam em geradores a diesel e, agora, além de painéis solares, também possui um grande número de blocos de baterias de íons de lítio que podem armazenar 2,6 megawatts-hora. Algumas partes do conjunto de antenas receberão em breve seus próprios painéis solares.
Em projetos tão ambiciosos, a questão do financiamento é sempre bastante aguda. Atualmente, o orçamento de construção da SKA1 na África do Sul e na Austrália é de cerca de 675 milhões de euros. Esse é o valor definido por 10 países membros do projeto: Austrália, Canadá, China, Índia, Itália, Holanda, Nova Zelândia, África do Sul, Suécia e Reino Unido. Mas esse financiamento não cobre o custo total do SKA1, que os astrônomos esperam. Portanto, o observatório está tentando atrair mais países para uma parceria que poderia aumentar o financiamento.
Os radiotelescópios permitem observar objetos espaciais distantes: pulsares, quasares etc. Aqui, por exemplo, usando o radiotelescópio FAST, conseguimos detectar um rádio pulsar em 2016:
