Радиотелескоп получает обновление в лаборатории Брукхейвен, национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), увеличившись с одного блюда до четырех. Обновления являются частью постоянной работы Лаборатории по проверке достоинств радиотелескопа для потенциального будущего проекта между национальными лабораториями и университетами, спонсируемыми Министерством энергетики. Конечная цель ученых – заглянуть вглубь Вселенной и лучше понять периоды ускоренного расширения и природу темной энергии.

Ученые из Брукхейвенской лаборатории используют прототип радиотелескопа, чтобы заглянуть вглубь Вселенной и лучше понять ее ускоренное расширение и природу темной энергии. Фото: Министерство энергетики США

«При изучении Вселенной первая цель состоит в том, чтобы исследовать крупномасштабные структуры на максимально возможном космическом объеме и времени», – сказал Анже Слосар, физик из Брукхейвенской лаборатории. «Сейчас мы экспериментируем с новой техникой, основанной на радиоволнах, и она может позволить нам гораздо эффективнее наблюдать за Вселенной».

Картирование вселенной с помощью радиоволн

Космологи в основном используют оптические телескопы – телескопы, которые наблюдают пространство в видимом свете – для изучения галактик и их распределения в пространстве и времени. Оптические телескопы могут обнаруживать слабый свет, излучаемый галактиками, которые находятся так далеко от Земли, что их свету потребовалось 11 миллиардов лет, чтобы добраться до нас. Но радиотелескопы, которые обнаруживают радиоволны, генерируемые на определенной длине волны газообразным водородом в далеких галактиках – область исследований под названием 21-сантиметровая космология – могут позволить ученым «увидеть» другую картину Вселенной.

«По сравнению с оптическими телескопами, радиотелескопы также могут видеть дальше – во времени и на больших расстояниях во Вселенной», – сказал Пол Станкус, физик из Национальной лаборатории Ок-Риджа и сотрудник радиотелескопа Брукхейвена.

Радиотелескопы имеют дизайн, аналогичный оптическим телескопам; оба они включают в себя камеру и фокусирующий элемент, который отражает свет для создания изображения вселенной. Но вместо того, чтобы иметь стеклянное зеркало, отражающее видимый свет, радиотелескопы могут использовать металлическую отражательную тарелку, которая стоит примерно в 100 раз дешевле, чем стеклянное зеркало того же размера, что делает их гораздо более экономичным способом наблюдения за Вселенной.

Традиционные радиотелескопы для астрономических исследований используют большие радиоприемники или набор широко разнесенных тарелок для получения изображений отдельных небесных объектов с высоким разрешением. Однако для космологических применений Брукхейвена необходим другой вид радиотелескопа: такой, который может наблюдать большие участки неба со скромным разрешением и может определять изменения интенсивности входящих радиоволн с предельной точностью.

«Для наших целей хорошо видно размытое изображение вселенной, потому что мы не заинтересованы в наблюдении за отдельными объектами. Мы хотим измерить большие участки Вселенной», – сказал Слосар. «Использование радиоизлучений для измерения структур в глубоком космосе на очень больших объемах поможет нам лучше понять фундаментальные свойства нашей вселенной».

Обнаружение помех

Нынешний радиотелескоп на территории Брукхейвенской лаборатории представляет собой небольшой прототип, и он был впервые установлен в 2017 году. Первоначально этот прототип служил испытательным полигоном для ученых для управления радиочастотными помехами, создаваемыми близлежащими метеорологическими радиолокаторами, телевизионными каналами и сотовыми телефонами башни. Понимание того, как уменьшить эти большие источники помех, подготовит группу к управлению меньшими источниками помех, если на более удаленном объекте будет построен телескоп большего размера.

В течение первых месяцев наблюдений ученые обнаружили это ожидаемое вмешательство, но они также обнаружили нечто более необычное.

Три новых блюда были добавлены к прототипу радиотелескопа

Три новых блюда были добавлены к прототипу радиотелескопа в Брукхейвене, который расположен в переливной раковине в лаборатории. Фото: Министерство энергетики США

«Мы видели таинственные сигналы, которые, казалось, исходили от астрономического радиоисточника», – сказал Пол О'Коннор, старший научный сотрудник из приборостроительного отдела Брукхейвена. «Они появились снова в нужный промежуток времени, но не совсем под прямым углом и положением неба и без ожидаемого частотного спектра».

После характеристики сигналов и калибровки телескопа они определили, что сигналы исходили от навигационных спутников, чьи орбиты проходили прямо над тарелкой.

«Наш радиотелескоп может видеть десятки навигационных спутников со всего мира, но это не совсем достижение», – сказал Слосар. «Эти спутники настолько мощные, что наши телефоны их видят. Достижение заключалось в обнаружении этих спутников за пределами выделенной им полосы частот, где они примерно в 1000 раз менее мощны». Этот сигнал малой мощности по-прежнему способен создавать проблемы для радиотелескопов, поэтому идентификация сигнала и обучение работе с ним имеет решающее значение. шаг к подготовке к большему проекту радиотелескопа.

От одного блюда до четырех

Успешные измерения в первый год наблюдений и дополнительное финансирование в рамках Брукхейвенской программы лабораторных исследований и разработок позволили исследователям усовершенствовать прототип телескопа и собрать более продвинутые данные. Самое главное, что телескоп был обновлен с одного блюда до четырех.

«Наличие четырех чашек позволяет нам использовать технику, называемую интерферометрией, где вы можете комбинировать сигналы от двух чашек», – сказал Слосар. «Теперь четыре блюда будут действовать как одно очень большое блюдо. Это стандартная техника в радиоастрономии, но важно протестировать ее функциональность в нашем прототипе, чтобы подготовиться к более крупному эксперименту в будущем».

О'Коннор добавил: «Конструкция тарелки в основном велась студентами. Прошлым летом у нас было семь учеников, работающих над телескопом, и у нас будет еще больше в этом году».

В ближайшие годы прототип телескопа продолжит служить испытательным полигоном для интерферометрии и других методов исследования, которые ученые надеются использовать в более широком эксперименте. Другие планы включают использование беспилотников с радиоисточниками для калибровки телескопа.

«У нас всегда был план перейти от одного блюда к четырем, и теперь, когда мы это сделали, мы считаем, что разработка этого испытательного стенда завершена», – сказал Слосар. «Когда мы будем готовы к дальнейшим обновлениям, они будут запланированы на более масштабный эксперимент. Пока этот прототип будет долгосрочным испытательным стендом, пока мы переходим к этапу исследований и разработок для более крупного проекта».

Пока что прототип уже зарекомендовал себя как многообещающий новый способ «увидеть» вселенную.

«Мы сравнили наши данные с существующими данными, которые были получены радиотелескопами о Млечном Пути, и они идеально совпадают», – сказал Крис Шихи, физик из Брукхейвена. «Разница в том, что« полоса пропускания »нашего прототипа увеличивается в 100 раз. Таким образом, в то время как другие эксперименты отображали Млечный путь в очень узкой полосе частот, мы видим этот диапазон как узкую полосу в наших данных, и мы также можем увидеть фактор еще 100».

Что касается более крупного проекта радиотелескопа, исследователи продолжают сотрудничать с другими национальными лабораториями и университетами, поддерживаемыми Министерством энергетики, для создания кейса; они разрабатывают концепцию, которая, как они надеются, воплотится в жизнь в ближайшие 10 лет. Успешные наблюдения из прототипа Брукхейвена были бы одним из многих важных примеров, подтверждающих необходимость такого эксперимента в более широком и международном масштабе.

По материалам phys.org