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ASKAP, en primera línea de la Radioastronomía

16/03/2011 08:37 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Artículo publicado en Caos y Ciencia el 14 de marzo de 2011, adaptando y simplificando conceptos del artículo que publiqué en la revista AstronomíA en diciembre de 2010.

A 700 km al norte de Perth, la capital del extenso estado de Australia Occidental, se localiza una amplia región semidesértica dominada por los canguros rojos: la Comarca de Murchinson. Ocupa una extensión mayor que la de los Países Bajos, pero mientras la población de estos es de unos 16, 5 millones de personas, en Murchinson hay censadas sólo 16 almas. En su centro se encuentra el pueblecito de Boolardy que, en los últimos tiempos, tiene bastante actividad: a 35 kilómetros de distancia un grupo de ingenieros y astrofísicos australianos ensamblan uno de los mayores centros radioastronómicos del mundo, el nuevo interferómetro ASKAP (las siglas en inglés de Australian Square Kilometer Array Pathfinder).

Su construcción está liderada por CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), el organismo gubernamental que controla la investigación científica y sus aplicaciones industriales y comerciales en Australia. Colaboran en ella los Países Bajos, Canada y los EE.UU, así como otros centros de investigación y empresas australianos. Cuando esté en funcionamiento formará parte del ATNF (Australia Telescope National Facility) junto con los observatorios de Parkes, Narrabri y Mopra.

Compuesto por 36 radiotelescopios de 12 metros de tamaño separados hasta seis kilómetros entre sí, ASKAP será una de las instalaciones radiotelescópicas para cartografiados celestes más complejas del mundo. Mapeará todo el cielo observable a varias frecuencias de radio. La principal ventaja del emplazamiento escogido es, precisamente, su baja densidad de población: las señales de radio propias de la actividad humana (estaciones de televisión y radio, móviles u ordenadores) son nulas por lo que no habrá interferencias con las débiles señales astronómicas. Se trata de un lugar completamente aislado y "silencioso".

ASKAP dispondrá de instrumentos de última generación que aportarán tanto un enorme campo de visión (30 grados cuadrados con frecuencias de 1, 4 GHz) como una gran velocidad de observación (se realizarán muchas observaciones cortas) y un gran rango dinámico ( las imágenes serán capaces de mostrar objetos muy débiles sin saturar los objetos muy brillantes ). Los diez proyectos científicos seleccionados para este centro incluyen realizar un mapa muy profundo del gas neutro de la Vía Láctea, investigar el origen del magnetismo del Universo, precisar las propiedades de los púlsares y otros objetos compactos, y detectar la emisión de gas neutro de más de medio millón de galaxias (hasta un desplazamiento al rojo de 0, 26) y la radiación sincrotrón de unos setenta millones de galaxias (hasta un desplazamiento al rojo de 1).

El diseño de este interferómetro es innovador en muchos aspectos. Destacan las antenas, que no poseen sólo dos ejes para el movimiento en altura y acimut, también disponen de un tercer eje central que impide la rotación del campo durante la observación. Con una libertad de movimiento de +-180º, este eje de polarización mantiene la orientación fija respecto al cielo. Sin embargo, lo que las convierte en únicas es un revolucionado sistema denominado "Phased Feed Arrays" que hace que cada antena no tenga sólo un pixel en una dirección determinada sino 192 elementos. Este revolucionario instrumento, actualmente en fase de desarrollo por los ingenieros del ATNF, es el responsable de que ASKAP tenga un campo de visión tan grande (de 30 grados cuadrados) y de que sea único en el mundo en la realización de cartografiados profundos de forma muy rápida: el 75% de su tiempo se destinará a ello.

Fue en enero de 2010 cuando se instaló la primera de sus 36 antenas, bautizada como "Diggidumble" en honor al nombre que los miembros de la tribu aborigen de Wajarri Yamatji dan a una colina con la cima plana cercana. Cada antena es construida y probada en China por 54th Research Institute de China Electronics Technology Group Corporation y después desmontada cuidadosamente, enviada y reinstalada en Australia. Durante septiembre y octubre de 2010 se colocaron en el llamado Observatorio Radioastronómico de Murchinson (MRO) otras 5 antenas. Juntas, y una vez que el sistema de "Phased Feed Arrays" esté instalado en cada radiotelescopio, formarán el complejo BETA (Boolardy Engineering Test Array), que comenzará a funcionar a finales de 2011. Se ha previsto que las señales de ASKAP puedan combinarse con las conseguidas por los radiotelescopios localizados en Nueva Gales del Sur y Nueva Zelanda (3.000 y 5.500 km al este, respectivamente).

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El Observatorio Radioastronómico de Murchinson (MRO). Vista elevada del MRO, situado en Australia Occidental, con cuatro de las antenas de ASKAP que ya están instaladas. Créditos: Ross Forsyth (CSIRO).

Los requisitos técnicos del instrumento, muy novedosos y ambiciosos a la vez, atañen también a la gestión de la información. Es fácil hacerse una idea de la ingente cantidad de datos por segundo que se conseguirán usando todas las antenas de ASKAP con Phased Array Feeds: 16.384 canales por dos polarizaciones por varios centenares de "píxeles" (feeds) por antena correlacionando 36 antenas (630 líneas de base distintas). Así, se prevé que las antenas tengan un ritmo de salida de datos de unos 2 Tbps (Terabits por segundo) mientras que su ritmo de entrada en los instrumentos digitales que los procesarán será de 72 Tbps. Además, cada una llevará un sistema de entrada/salida de información para el control y la monitorización y todo estará conectado mediante fibra óptica a los ordenadores en Geraldton y Perth. ASKAP obtendrá unos 4 Gb de datos científicos finales (un DVD) en sólo dos segundos, incluyendo imágenes y catálogos. En una media hora recopilará tanta información como la obtenida sumando todas las observaciones en radio de todos los radiotelescopios existentes hasta el momento. Tal es así que aún se están desarrollando los ordenadores y el software necesarios para la toma y análisis de todos estos datos.

Se espera que ASKAP esté completado a finales de 2012 y que comience su actividad científica en 2013. Además de aportar pistas claves para entender objetos tan dispares como los púlsares y las galaxias, este interferómetro al que tendrán acceso investigadores de todo el mundo, colocará a Australia en una posición inmejorable para ser el país anfitrión delSKA (Square Kilometre Array), un ambicioso proyecto internacional con la participación de veinte países que pretende construir miles de radioreceptores en una superficie equivalente a la de un continente. Se espera que SKA revolucione completamente nuestro conocimiento del Cosmos.

Primeras observaciones de ASKAP

En realidad, la primera antena de ASKAP ya se ha usado con fines científicos en observaciones interferométricas de larga base (LBA) para investigar a Centauro A (NGC 5128). Esta radiogalaxia, la más cercana a la Tierra, alberga un núcleo de galaxia activo compuesto por un agujero negro supermasivo, de unos 50 millones de veces la masa del Sol, que genera unos chorros de emisión en radio que alcanzan incluso millones de años luz de distancia.

Un grupo de astrofísicos australianos liderados por Steve Tingay (ICRAR, International Centre for Radio Astronomy Research) quiso investigar este núcleo. Para ello se juntó la señal recibida por Diggidumble en el MRO con la de la mayor parte de los radiotelescopios existentes en Australia: Ceduna (Australia del Sur, a mitad de camino entre Perth y Sídney), Hobart (en la isla de Tasmania), Tidbindilla, Parkes, Mopra y ATCA. Y también con las observaciones proporcionadas por una nueva antena de doce metros instalada cerca del pueblo de Warkworth (Nueva Zelanda), a más de 5.500 kilómetros de distancia de la primera.

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La galaxia Centauro A. (Imagen izquierda) Espectacular imagen de radio de la galaxia Centauro A (*). El campo de visión es de unos 10º x 5º, o unas 200 lunas llenas Las estructuras más pequeñas que se pueden resolver tienen un tamaño de unos 680 años luz (210 parsecs), la escala muestra el tamaño de 163.000 años luz (50.000 parsecs), por comparación el tamaño de nuestra galaxia es justo el doble, unos 320, 000 años luz. Para conseguir los datos se emplearon tanto el interferómetro Australia Telescope Compact Array (ATCA, Narrabri, Australia) como la antena de 64m de Parkes, observando a unas frecuencias de 1, 4 GHz (correspondiente a longitudes de onda de 20 cm). Los puntos blancos no son estrellas sino otras radiogalaxias de fondo, algunas de ellas incluso mayores que Centauro A, pero localizadas en el universo distante. (Imagen central) Imagen clásica en radiocontinuo (a 6 cm) de los ‘ chorros bipolares’ del centro de Centauro A, que se alejan unos 10 kpc (32.700 años luz) del agujero negro central de la radiogalaxia, conseguida por el VLA (Very Large Array, Nuevo México, EE.UU.). (Imagen inferior): Región central de la radiogalaxia mostrando detalles de sólo 1 pc, conseguida uniendo radiotelescopios de Australia (primera antena de ASKAP incluida) y Nueva Zelanda. Créditos: Imagen de toda la radiogalaxia: Ilana Feain, Tim Cornwell & Ron Ekers (CSIRO), ATCA. El apuntado del lóbulo central norte es cortesía de R. Morganti (ASTRON), y los datos de Parkes son cortesía de N. Junkes (MPIfR). Lóbulos de radio centrales: J.O. Burns (U. Missouri), D. Clarke (St. Mary’ s U.), NRAO / AUI / NSF. Núcleo: S. Tingay (ICRAR) / ICRAR, CSIRO y AUT.

Aquí mostramos la imagen final del centro de Centauro A conseguida con estas observaciones pioneras. Tiene una resolución angular de 1 pársec (3, 26 años luz) a una distancia de 14 millones de años luz, lo que sería equivalente a identificar la cabeza de un alfiler a 20 kilómetros de distancia. El mismo gráfico también muestra la emisión total en radiocontinuo (1, 4 GHz) de Centauro A realizada por Ilana Feain (CSIRO) y colaboradores usando datos del interferómetro ATCA y de la antena de Parkes. Se trata de una de las radioimágenes más grandes conseguidas hasta la fecha, no sólo por el enorme área que abarca (el campo de visión es de unos 10º x 5º, o unas 200 lunas llenas) sino también por la gran diferencia en brillo desde las zonas centrales a las sutiles regiones externas (alto rango dinámico). Toda la radiación de sincrotrón es debida al agujero negro masivo que se encuentra en el mismo centro de NGC 5128. La propia galaxia, tal y como la veríamos en imágenes ópticas, es algo diminuto en el centro, justo donde se juntan los dos lóbulos principales, coloreados en rosa en la "foto" a falso color.

Lo impactante de esta imagen es que exigió 406 apuntados distintos del interferómetro ATCA para cubrir toda el área (el campo de visión de ATCA a esas frecuencias es de unos 30 minutos de arco, el tamaño de la Luna llena). Para conseguirla se observó en modo de mosaico y se utilizaron cuatro configuraciones distintas del interferómetro. En total, se necesitaron más de 1.200 horas de observación durante varios años. ASKAP, con su enorme campo de visión y sensibilidad (son 36 antenas en lugar de sólo 6 de ATCA) será capaz de tomar los datos para hacer una imagen similar en sólo ¡5 minutos!

En el artículo de Caos y Ciencia tenéis más imágenes y animaciones. Habrá segunda parte.

(*) De la espectacular imagen de radio de Centauro A conseguida por el interferómetro ATCA ya os hablé por aquí.


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angelrls.blogalia.com
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