En ny prototyp av radioteleskop har börjat observera universum vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory. Konstruerad av ett team av forskare, ingenjörer, snickare, och studenter, prototypteleskopet finansierades genom Brookhavens Laboratory Directed Research and Development-program. Brookhaven-forskare och samarbetspartners kommer att använda den lilla prototypen för att testa fördelarna med ett radioteleskop på plats vid labbet, utveckla nya sätt att angripa grundläggande problem, och bryta in i fältet av 21 centimeter kosmologi – studiet av vårt universums ursprung genom radiosignaler som sänds ut av vätgas i avlägsna galaxer.

Kosmologer har i första hand använt optiska teleskop – teleskop som observerar rymden genom synligt ljus – för att studera galaxer och deras fördelning i rum och tid. Dessa teleskop är extremt avancerade, och sådana som Large Synoptic Survey Telescope (LSST) som nu är under uppbyggnad i Chile är helt optimerade för kosmologiska tillämpningar; dock, optiska teleskop är också extremt dyra att bygga. Det är därför Brookhaven undersöker radioteleskop som ett alternativ, kostnadseffektivt sätt att observera universum.

"Om vi ​​vill lära oss mer om universum, radioteleskop är en spännande väg framåt, sa Chris Sheehy, en fysiker vid Brookhaven.

Radioteleskop och optiska teleskop har en liknande design:de har båda en kamera och ett fokuseringselement som reflekterar ljus för att generera en bild av universum. Men till skillnad från optiska teleskop, som använder en glasspegel för att reflektera synligt ljus, radioteleskop kan använda en metallreflektor som kostar ungefär 100 gånger mindre än en glasspegel av samma storlek.

"Radiovågor är som vanligt ljus, bara med mycket längre våglängder, " sa Anže Slosar, en fysiker vid Brookhaven Lab. Radiovågornas långa våglängder gör att radioteleskop producerar en bild av universum med mycket lägre upplösning än vad ett optiskt teleskop av samma storlek skulle kunna producera.

Fånga en exakt bild av universum

Inom traditionell radioastronomi – studiet av enskilda himlaobjekt med hjälp av radiovågor – används mycket stora radioskålar eller en samling vitt åtskilda rätter för att förbättra bildupplösningen. För kosmologiska tillämpningar, dock, ett annat slags radioteleskop behövs:ett som kan observera stora fläckar av himlen med extremt exakt intensitet, men bara blygsam upplösning.

"Att ha ett litet radioteleskop som ser en mycket suddig bild av universum är OK, "Slosar sa, "eftersom vi inte är intresserade av att observera enskilda objekt. Vi kan mäta stora delar av universum och fortfarande mäta samma statistiska kvantiteter som vi normalt gör med hjälp av galaxer."

Ett mycket känsligt radioteleskop är nödvändigt för kosmologer eftersom deras observationer förlitar sig på en mycket svag signal från neutral vätgas, en kosmologisk markör som finns i alla galaxer. Vätesignalen är så svag att den bara kan detekteras genom att noggrant subtrahera brus och störande radiovågor från vår egen galax (se figur). Kosmologer vid Brookhaven är inte de första som letar efter denna kosmologiska markör; ett fullt finansierat experiment som kallas Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment är på gång, och en liknande insats övervägs för Sydafrika. Brookhaven-experimentet är betydligt mindre, men dess mål är olika.

"Istället för att gå rakt mot ett tävlingsexperiment, vi börjar med en liten FoU-prototyp för att utveckla tekniken, sa Hindy Drillick, en student vid Stony Brook University som deltar i experimentet. "Vi har ett vackert flexibelt system som man kan gå till, pilla med, och snabbt prova olika tekniker." Brookhaven-teamet hoppas kunna använda prototypen för att utveckla och testa nya kalibrerings- och karakteriseringstekniker för radioteleskop.

Ett unikt perspektiv på yttre rymden

Att observera mycket avlägsna galaxer är en svår uppgift eftersom deras stjärnljus ser väldigt rött ut, ett resultat av universums pågående expansion. Rött ljus kräver att dyrare detektorer observeras och är mer benägna att absorberas i atmosfären. Avlägsna galaxer är också i sig svagare och färre i antal.

"Jämfört med optiska teleskop, radioteleskop kan se längre ut – längre tillbaka i tiden och längre avstånd i universum, sa Paul Stankus, en fysiker vid Oak Ridge National Laboratory och en medarbetare på radioteleskopet.

Radioteleskop är också särskilt bekväma för kosmologer eftersom deras design eliminerar behovet av att justera teleskopets position.

"Om du ville titta på en stjärna med ett optiskt teleskop, du måste hela tiden justera teleskopets position för att få en tydlig bild. Men vi kan rikta vårt radioteleskop rakt mot zenit, och låt himlen röra sig förbi teleskopet när jorden roterar, sa Will Tyndall, en doktorand vid Stony Brook University som för närvarande arbetar med teleskopet. "Du kan föreställa dig det som om du observerade en Jackson Pollock-målning. Att använda ett optiskt teleskop skulle vara detsamma som att titta på varje enskild prick i målningen, och sedan sätta alla prickar på en graf för att se var de finns. Att använda ett radioteleskop skulle vara att sakta titta på målningen från vänster till höger för att se hela bilden."

Dessutom, radioteleskop kan styras elektroniskt och kräver inte de dyra spårningsmotorer som används på optiska teleskop.

Aktuella utmaningar och planer för ett avancerat experiment

Brookhavens prototypteleskop är beläget på Lab-området, där radiofrekvensstörningar genereras av väderradarn i närheten, sända TV, och mobiltelefontorn komplicerar observationer. Att hantera radiostörningarna med prototypen kommer att förbereda Brookhaven-forskare för att ta exakta mätningar av universum med ett mer avancerat teleskop.

"Om du inte går till baksidan av månen, det kommer alltid att finnas radiofrekvensstörningar, även mitt i öknen, sa Paul O'Connor, en senior forskare vid Brookhavens instrumenteringsavdelning, "så vi måste förstå hur vi kan mildra den störningen för att förbättra våra observationer. Om vi ​​kan göra det på Brookhaven-platsen, vi kan göra det var som helst."

Gruppen förväntar sig att tillbringa cirka fem år med att experimentera med prototypen för att demonstrera löftet om radioteleskop för kosmologistudier vid labbet, och att testa olika designval för ett avancerat experiment.

Prototypen är ett samarbete mellan Physics Department och Instrumentation Division i Brookhaven. "Denna kombination är unikt kraftfull, "Slosar sa. "Vårt laboratorium möjliggör denna starka koppling mellan de som kan muttrar och bultar av hårdvara och de som kan göra analyser på hög nivå."

De två grupperna har samarbetat om LSST i över ett decennium, och radioteleskopet skulle kunna förlänga detta samarbete efter att LSST-byggprojektet är avslutat i slutet av decenniet.

Parallellt, Brookhaven-forskare samarbetar med andra nationella laboratorier och DOE-stödda universitet för att bygga fallet för ett större radioteleskop. Experimentet skulle vara beläget på en avlägsen plats, och skulle involvera många DOE-labb och potentiellt andra byråer. Framgångsrika observationer från Brookhavens prototyp skulle vara ett av många viktiga exempel för att stödja ett sådant experiment i en större och internationell skala.