Alguns dos maiores e mais sofisticados telescópios já fabricados estão em construção no Observatório Simons, no norte do Chile.
Eles são projetados para medir a radiação cósmica de fundo – radiação eletromagnética remanescente da formação do universo – com sensibilidade sem precedentes. Em um novo estudo, os pesquisadores detalham um método de análise que pode melhorar esses telescópios avaliando seu desempenho antes da instalação.
“Desenvolvemos uma maneira de usar radio-holografia para caracterizar um instrumento de telescópio criogênico totalmente integrado antes da implantação”, disse Grace Chesmore, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Chicago. “No laboratório, é muito mais fácil identificar problemas antes que eles se tornem problemáticos e manipular os componentes dentro do telescópio para otimizar o desempenho.”
Embora seja comum esperar até depois da instalação para caracterizar o desempenho óptico de um telescópio, é difícil fazer ajustes depois que tudo estiver no lugar. No entanto, uma análise completa normalmente não pode ser feita antes da instalação porque as técnicas de laboratório são projetadas para análise de temperatura ambiente, enquanto os componentes do telescópio são mantidos em temperaturas criogênicas para melhorar a sensibilidade.
Na revista Applied Optics do Optica Publishing Group, pesquisadores liderados por Jeff McMahon, da Universidade de Chicago, descrevem como aplicaram sua nova abordagem de medição à ótica do receptor do Simons Observatory Large Aperture Telescope, que inclui lentes, filtros, defletores e outros componentes. Esta é a primeira vez que tais parâmetros foram confirmados em laboratório antes da implantação de um novo receptor.
“O Observatório Simons criará mapas sem precedentes do brilho posterior do Big Bang, fornecendo uma compreensão dos primeiros momentos e do funcionamento interno do nosso universo”, disse Chesmore, primeiro autor do artigo. “O observatório ajudará a tornar possíveis esses mapas cósmicos ultrassensíveis de fundo em micro-ondas.”
Olhando para trás no tempo
Os mapas cósmicos de fundo em micro-ondas que serão produzidos pelo Observatório Simons fornecerão uma janela para o nosso universo em um momento tão inicial de sua história que pequenos sinais da gravidade quântica poderiam ser detectados, diz Chesmore. No entanto, sondar o espaço com tanta sensibilidade requer uma melhor compreensão de como a radiação eletromagnética viaja através do sistema óptico do telescópio e a eliminação de tanto espalhamento quanto possível.
No novo trabalho, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como holografia de rádio de campo próximo, que pode ser usada para reconstruir como a radiação eletromagnética viaja através de um sistema como um telescópio. Para fazer isso em temperaturas criogênicas, eles instalaram um detector que pode mapear uma fonte coerente muito brilhante enquanto opera na temperatura extremamente fria de 4 Kelvin. Isso permitiu que eles criassem mapas com uma relação sinal-ruído muito alta, que eles usaram para garantir que a ótica do receptor do Large Aperture Telescope funcionasse conforme o esperado.
“Todos os objetos, incluindo lentes, encolhem e exibem mudanças nas propriedades ópticas quando esfriam”, explicou Chesmore. “Operar o detector de holografia a 4 Kelvin nos permitiu medir a ótica nas formas que terão ao observar no Chile.”
Do laboratório às observações espaciais
Depois que essas medições foram concluídas, os pesquisadores desenvolveram um software para prever como o telescópio funcionaria com fótons vindos do espaço, em vez da fonte de campo próximo usada no laboratório.
“O software usa os mapas de campo próximo que medimos para determinar o comportamento de uma fonte de microondas de campo distante”, disse Chesmore. “Isso só é possível usando radio-holografia porque mede tanto a amplitude quanto a fase das micro-ondas, e existe uma relação conhecida entre as propriedades no campo próximo e distante”.
Usando sua nova abordagem, os pesquisadores descobriram que a ótica do telescópio correspondia às previsões. Eles também foram capazes de identificar e mitigar uma fonte de dispersão antes que o telescópio fosse implantado.
O sistema óptico do Large Aperture Telescope que eles caracterizaram está agora a caminho do Chile para instalação. O Observatório Simons incluirá o Telescópio de Grande Abertura, bem como três Telescópios de Pequena Abertura, que serão usados juntos para observações precisas e detalhadas da radiação cósmica de fundo. Os pesquisadores da Universidade de Chicago continuarão a caracterizar os componentes dos telescópios do Observatório Simons e dizem que esperam usar esses telescópios para entender melhor nosso Universo.
Outros membros da equipe da Universidade de Chicago incluem os pesquisadores de pós-doutorado Katie Harrington e Patricio Gallardo, bem como os alunos de pós-graduação Carlos Sierra, Shreya Sutariya e Tommy Alford. Além disso, instituições colaboradoras em todo o mundo estão trabalhando para tornar o Simons Observatory um sucesso.
Publicado em 06/12/2022 07h06
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