Jueves

Curso de Radioastronomía básica de Jet Propulsion Laboratory (JPL). Capítulo 1

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Traducción: Tiare Rivera para Seti.cl

Información General:  Descubriendo el Universo Invisible

Objetivos: Una vez completado este capítulo, podrá describir los principios generales de cómo funcionan los radiotelescopios.

Antes de 1931, el estudiar astronomía significaba estudiar los objetos visibles en el cielo nocturno. En efecto, la mayoría de la gente todavía piensa que eso es lo que hacen los astrónomos – esperar hasta llegada la noche y mirar el cielo a simple vista, o con binoculares, telescopios ópticos, grandes y pequeños. Antes de 1931, no teníamos idea que había otra forma de observar el universo más allá de nuestra atmósfera.

En 1931, si se sabía sobre el espectro electromagnético. Sabíamos que la luz visible era sólo parte de un pequeño rango de longitud de onda y frecuencias de energía. Sabíamos sobre la longitud de onda más corta que la luz visible – Wilhelm Röntgen había construído una máquina que producía rayos X en 1985. Sabíamos que el rango de longitudes de onda más grande que la luz visible (infrarojo), la cual en algunas circunstancias se sentía como calor. Incluso sabíamos de la radiación de radio frecuencia (RF), y el desarrollo de la radio, televisión, y la tecnología de teléfono cuando Heinrich Hertz produjo por primera voz ondas de radio de unos pocos centímetros en 1888. Pero, en 1931, nadie sabía que la radiación RF también es emitida por miles de millones de fuentes extraterrestres,  ni tampoco sabían que estas frecuencias pasaran a través de la atmósfera de la Tierra directo a nuestro dominio en el suelo.

Todo lo que necesitábamos para detectar esta radiación eran un nuevo tipo de “ojos”.

El experimento de Jansky

Como frecuentemente ocurre en la ciencia, la radiación de RF (radiofrecuencia) del espacio exterior fue descubierta por primera vez cuando alguien estaba buscando otra cosa. Karl G. Jansky (1905-1950) trabajaba como ingeniero de radio en los Laboratorios de teléfonos Bell en Holmdel, Nueva Jersey. En 1931, se le había asignado estudiar la interferencia de frecuencias de radio en las tormentas para poder ayudar a Bell a diseñar una antena que pudiera minimizar la estática cuando enviaran las señales de radio-teléfono a través del océano. Construyó una tosco artilugio que más parecia un carrusel de madera que una antena moderna, mucho menos un radio telescopio. Estaba afinado para responder a la radiación a una longitud de onda de 14.6 metros y rotaba en un circulo completo sobre unos neumáticos Ford antiguos cada 20 minutos. La antena estaba conectada a un receptor y la salida de la antena era grabada en una tira gráfica.

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Antena de Jansky que detectó por primera vez radiación extraterrestre

Pudo atribuir algo de estática (un término usado por los ingenieros al ruido producido por la radiación RF no modulada) a las tormentas cercanas y algunas lejanas, pero había otras que no podía ubicar. Las llamó “…un constante silbido de tipo estático de desconocido origen.”

Mientras rotaba su antena, encontró que la dirección de donde venía esta estática desconocida cambiaba gradualmente, haciendo casi un circulo completo en 24 horas. Sin ser astrónomo, le tomó un tiempo suponer que la estática debe ser de origen extraterrestre, ya que parecía en correlación con la rotación de la Tierra.

Al principio pensó que la fuente era el Sol. Sin embargo, observó que la radiación recogida llegaba a su punto máximo 4 minutos antes cada día. El sabía que la Tierra, en una órbita completa alrededor del Sol, necesariamente hace más de un giro en su eje con respecto al sol, más que las aproximadas 365 vueltas que la Tierra ha hecho en su propio eje. Así, el periodo de rotación de la Tierra con respecto a las estrellas (conocido por los astrónomos como dia sideral) es alrededor de 4 minutos más cortos que el día solar (el periodo de rotación de la Tierra con respecto al Sol). Jansky por tanto concluyó que la fuente de esta radiación debe estar mucho más lejos que el Sol. Con más investigación, identificó la fuente como la Vía Láctea y, en 1933, publicó sus descubrimientos.

El prototipo de Radiotelescopio de Reber

A pesar de las implicaciones del trabajo de Jansky, tanto el diseño de los radio receptores, como también la radioastronomía, no causó mucha atención al principio. Luego, en 1937, Grote Reber, otro radio ingeniero, tomó los descubrimientos de Jansky y construyó un prototipo del radiotelescopio moderno en su patio en Wheaton, Illinois. Comenzó buscando radiación en longitudes de onda más cortas, pensando que las longitudes de onda serían más fuertes y fáciles de detectar. No tuvo mucha suerte, sin embargo, terminó modificando su antena para detectar radiación en una longitud de onda de 1.87 metros (como la altura de un humano), donde puedo encontrar emisiones más fuertes junto con el plano de la Vía Láctea.

Radiotelescopio de Reber

Radiotelescopio de Reber

Reber continuó sus investigaciones durante los 40, y en 1944 publicó los primeros mapas estelares de radio frecuencia. Hasta el final de la Segunda Guerra Mundial, era el único radio astrónomo en el mundo. Entre tanto, los operadores radiales británicos durante la guerra habían detectado emisiones de radio desde el Sol. Luego de la guerra, la radio astronomía se desarrolló rápidamente, y se ha convertido de vital importancia en nuestra observación y estudio del Universo.

Asi que, ¿Qué es un radio telescopio?

Las ondas de radio frecuencia pueden penetrar la atmósfera de la Tierra en un rango de longitudes de onda de unos pocos milímetros a mas o menos unos 100 metros. Aunque estas longitudes de onda no tienen un efecto discernible en el ojo humano o en platos fotográficos, si pueden inducen una débil corriente eléctrica en un conductor tales como una antena. La mayoría de las antenas de radiotelescopio son reflectores parabólicos (con forma de disco) que pueden ser apuntados hacia cualquier parte del cielo. Ellos reúnen la radiación y la reflejan a un foco central, donde se concentra la radiación. La corriente débil del foco puede ser amplificado  por un receptor de radio para que sea lo suficientemente fuerte para ser medido y grabado.

Los filtros electrónicos en un receptor pueden ser afinados para amplificar un rango (o “banda”) de frecuencias a la vez. O, usando técnicas de procesamiento de información más sofisticadas, se pueden detectar miles de bandas de frecuencias angostas por separado. Asi que, podemos averiguar que frecuencias están presentes en la radiación RF y cuales son sus fuerzas relativas. Como veremos más adelante, las frecuencias y su poderes relativos y polarización nos dan muchas pistas sobre las fuentes de radio frecuencia que estamos estudiando.

La intensidad (o fuerza) de la RF alcanzando la Tierra es pequeña en comparación con la radiación recibida en un rango visible. Asi que, un radiotelescopio debe tener un gran “área de recolección”, o antena, para poder ser útil. Usando dos o más radiotelescopios en conjunto (llamados array) y combinando las señales que reciben simultáneamente de la misma fuente permite a los astrónomos discernir con mejor detalles y por tanto indicar con precisión la fuente de la radiación. Esta habilidad depende de una técnica llamada radio interferometría. Cuando las señales de dos o más telescopios son combinadas apropiadamente, los telescopios pueden actuar efectivamente como pequeñas piezas de un gran telescopio.

Una gran cantidad de telescopios son diseñados especificamente para operar en conjunto. Como es el Very Large Array (VLA) en Socorro, Nuevo México. Otros observatorios de radio en ubicaciones geográficamente distantes son diseñados como estaciones de Interferometria de Muy Larga Base (Very Long Baseline Interferometric) (VLBI) y son arreglados en variadas configuraciones para crear un Conjunto de Base muy Larga (Very Long Baseline Array) (VLBA). NASA ahora tiene cuatro VLBI rastreando estaciones para apoyar los satélites orbitantes que extenderán las bases de interferometría más allá del diámetro de la Tierra.

Recapitulación:

1. Debido a la estática Jansky observó puntos altos 4 minutos antes cada día, asi que concluyó que la fuente NO era ___  ________.

2. Las ondas de Radio Frecuencia inducen una _____________ en un conductor tales como una antena.

3. La proporción de energía RF recibida en la Tierra es  ___________ comparada con la cantidad recibida en un rango visible.

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1. El Sol  2.Corriente  3.Menor