Ett radioteleskop vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har fått en betydande uppgradering, går från en rätt till fyra. Uppgraderingarna är en del av laboratoriets pågående försök att testa fördelarna med ett radioteleskop för ett potentiellt framtida projekt mellan nationella laboratorier och DOE-sponsrade universitet. Forskarnas slutmål är att se djupt in i universum och få en bättre förståelse för perioder av accelererad expansion och mörk energis natur.

"I studien av universum, det första målet är att kartlägga storskaliga strukturer över så mycket kosmisk volym och tid som möjligt, " sa Anže Slosar, en fysiker vid Brookhaven Lab. "Nu, vi experimenterar med en ny teknik som bygger på radiovågor, och det skulle kunna göra det möjligt för oss att observera universum mycket mer effektivt."

Kartlägga universum med radiovågor

Kosmologer använder främst optiska teleskop - teleskop som observerar rymden genom synligt ljus - för att studera galaxer och deras fördelning i rum och tid. Optiska teleskop kan upptäcka det svaga ljuset som sänds ut från galaxer som är så långt borta från jorden att deras ljus har tagit 11 miljarder år att nå oss. Men radioteleskop, som upptäcker radiovågor som produceras vid en viss våglängd av vätgas i avlägsna galaxer – ett forskningsfält som kallas 21 centimeter kosmologi – kan göra det möjligt för forskare att "se" en annan bild av universum.

"Jämfört med optiska teleskop, radioteleskop kunde också 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 Brookhavens radioteleskop.

Radioteleskop har en liknande design som optiska teleskop; de inkluderar båda en kamera och ett fokuseringselement som reflekterar ljus för att generera en bild av universum. Men istället för att ha en glasspegel som reflekterar synligt ljus, Radioteleskop kan använda en metallreflektor som kostar ungefär 100 gånger mindre än en glasspegel av samma storlek, vilket gör dem till ett mycket mer kostnadseffektivt sätt att observera universum.

Traditionella radioteleskop för astronomiska studier använder stora radioskålar, eller en samling vitt åtskilda rätter, för att få högupplösta bilder av enskilda himlaobjekt. För Brookhavens kosmologiska tillämpningar, dock, ett annat slags radioteleskop behövs:ett som kan observera stora fläckar på himlen med blygsam upplösning, och kan upptäcka förändringar i intensiteten hos inkommande radiovågor med extrem precision.

"För våra syften, att se en mycket suddig bild av universum är okej eftersom vi inte är intresserade av att observera enskilda objekt. Vi vill mäta stora delar av universum, ", sa Slosar. "Att använda radioemissioner för att mäta strukturer i rymden över mycket stora volymer kommer att hjälpa oss att få en bättre förståelse av de grundläggande egenskaperna hos vårt universum."

Upptäcker störningar

Det nuvarande radioteleskopet på plats vid Brookhaven Lab är en liten prototyp, och den installerades först 2017. Till en början, prototypen fungerade som en testbädd för forskare för att hantera radiofrekvensstörningar som genererades av den närliggande väderradarn, sända TV, och mobiltelefontorn. Att förstå hur man kan mildra dessa stora störningskällor kommer att förbereda gruppen för att hantera mindre störningskällor om ett större teleskop byggs på en mer avlägsen plats.

Under de första månaderna av observationer, forskarna upptäckte denna förväntade störning, men de hittade också något mer ovanligt.

"Vi såg mystiska signaler som verkade komma från en astronomisk radiokälla, sa Paul O'Connor, en senior vetenskapsman vid Brookhavens instrumenteringsavdelning. "De dök upp igen vid rätt tidsintervall, men inte riktigt i rätt vinkel och position på himlen, och utan det förväntade frekvensspektrumet."

Efter att ha karaktäriserat signalerna och kalibrerat teleskopet, de fastställde att signalerna kom från navigationssatelliter vars banor råkade passera direkt över skålen.

"Vårt radioteleskop kan se dussintals navigationssatelliter från hela världen, men det är inte riktigt en prestation, ", sa Slosar. "Dessa satelliter är så kraftfulla att våra telefoner kan se dem. Prestationen var att detektera dessa satelliter utanför deras tilldelade frekvensband, där de är ungefär 1, 000 gånger mindre kraftfull." Denna lågeffektssignal kan fortfarande orsaka problem för radioteleskop, så att identifiera signalen och lära sig att arbeta med den är ett avgörande steg mot att förbereda sig för ett större radioteleskopprojekt.

Från en rätt till fyra

Framgångsrika mätningar under det första året av observationer och ytterligare finansiering genom Brookhavens Laboratory Directed Research and Development-program har gjort det möjligt för forskarna att förbättra prototypteleskopet och samla in mer avancerad data. Det viktigaste, teleskopet har uppgraderats från en skål till fyra.

"Att ha fyra rätter gör det möjligt för oss att använda en teknik som kallas interferometri, där du kan kombinera signaler från två rätter, " sa Slosar. "Nu, de fyra rätterna kommer att fungera som en mycket stor skål. Detta är en standardteknik inom radioastronomi, men det är viktigt att vi testar dess funktionalitet i vår prototyp för att förbereda oss för ett större experiment i framtiden."

O'Connor lade till, "Skålkonstruktionen var till stor del studentledd. Vi hade sju elever som arbetade på teleskopet förra sommaren och vi har fler på gång i år."

Under de kommande åren, prototypteleskopet kommer att fortsätta att tjäna en testbädd för interferometri och andra forskningstekniker som forskarna hoppas kunna använda i ett större experiment. Andra planer inkluderar att använda drönare som bär radiokällor för att kalibrera teleskopet.

"Vi har alltid haft planen att gå från en rätt till fyra, och nu när vi har gjort det, vi anser att konstruktionen av detta testbäddsinstrument är komplett, ", sa Slosar. "När vi är redo för ytterligare uppgraderingar, de kommer att planeras för ett större experiment. Tills vidare, denna prototyp kommer att vara en långsiktig testbädd medan vi går över till forsknings- och utvecklingsfasen för ett större projekt."

Än så länge, prototypen har redan visat sig vara ett lovande nytt sätt att "se" universum.

"Vi har jämfört våra data med befintliga data som radioteleskop har producerat om Vintergatan, och det matchar perfekt, sa Chris Sheehy, en fysiker vid Brookhaven. "Skillnaden är att "bandbredden" för vår prototyp ökas med en faktor 100. Så, medan andra experiment har kartlagt Vintergatan vid ett mycket smalt frekvensband, vi ser det intervallet som en smal rand i vår data, och vi kan också se en faktor på 100 mer."

Angående ett större radioteleskopprojekt, forskarna fortsätter att samarbeta med andra nationella laboratorier och DOE-stödda universitet för att bygga ett fall; de designar ett koncept som de hoppas få liv under de kommande 10 åren. Framgångsrika observationer från Brookhavens prototyp skulle vara ett av många viktiga exempel för att stödja ett argument för ett sådant experiment i större och internationell skala.