För att hjälpa till att smälta en ny era inom radioastronomi utvecklas en ny teknik för att förbättra den vid Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) i Nederländerna. Genom att lägga till en platta med detektorer till fokalplanet för bara en av de 14 radioantennerna vid WSRT, har astronomer vid Nederländska institutet för radioastronomi (ASTRON) kunnat avbilda två pulsars separerade med över 3,5 graders båge, vilket är ungefär sju gånger storleken på fullmånen sett från jorden.
Det nya projektet - kallad Apertif - använder en mängd detektorer i radioteleskopets fokalplan. Detta "fasade matrisfoder" - tillverkat av 121 separata detektorer - ökar siktfältet för radioteleskopet med över 30 gånger. På så sätt kan astronomer se en större del av himlen i radiospektrumet. Varför är detta viktigt? Tja, i enlighet med vår matkursanalogi, föreställ dig att försöka äta en skål soppa med en fingerborg - du kan bara få en liten del av soppan i munnen åt gången. Föreställ dig då att försöka äta det med en slev.
Samma analogi av att kartlägga och observera himlen för radiokällor gäller. Dr. Tom Oosterloo, principutredaren för Apertif-projektet, förklarar köttet av den nya tekniken:
”Den fasade matningsmatningen består av 121 små antenner, tätt packade tillsammans. Denna matris täcker cirka 1 kvadratmeter. Varje WSRT kommer att ha en sådan antennmatris i sitt fokus. Denna matris samplar fullständigt strålningsfältet i fokalplanet. Genom att kombinera signalerna från alla 121 element, en "sammansatt strålar" [sic] kan bildas som kan styras så att de pekar på vilken plats som helst inom ett område på 3 × 3 grader på himlen. Genom att kombinera signalerna från alla 121 element kan teleskopets respons optimeras, dvs alla optiska distorsioner kan tas bort (eftersom strålningsfältet är helt uppmätt). Denna process utförs parallellt 37 gånger, dvs 37 sammansatta balkar bildas. Varje sammansatt balk fungerar i princip som ett separat teleskop. Om vi gör detta i alla WSRT-rätter, har vi 37 WSRT-enheter parallellt. Genom att styra alla balkar till olika platser inom området 3 × 3 grader kan vi observera denna region helt. ”
Med andra ord, traditionella radioteleskop använder bara en enda detektor i teleskopets fokusplan (där all strålning fokuseras av teleskopet). De nya detektorerna är ungefär som CCD-chip i din kamera, eller de som används i moderna optiska teleskoper som Hubble. Varje separat detektor i arrayen tar emot data, och genom att kombinera data till en sammansatt bild kan en högkvalitativ bild tas.
Den nya matrisen kommer också att bredda synfältet för radioteleskopet, vilket möjliggjorde denna senaste observation av vidsträckta separerade pulsarer på himlen, ett milstolptest för projektet. Som en extra bonus kommer den nya detektorn att öka effektiviteten hos "bländaren" till cirka 75%, upp från 55% med de traditionella antennerna.
Dr. Oosterloo förklarade, ”Bländareffektiviteten är högre eftersom vi har mycket mer kontroll över strålningsfältet i fokalplanet. Med de klassiska enkla antennsystemen (som i den gamla WSRT eller som i eVLA) mäter man strålningsfältet endast i en enda punkt. Genom att mäta strålningsfältet över hela fokusplanet och genom att smidigt kombinera signalerna från alla element kan optiska distorsionseffekter minimeras och en större del av den inkommande strålningen kan användas för att avbilda himlen. "
För tillfället finns det bara en av de 14 radioantennerna utrustade med Apertif. Joeri Van Leeuwen, forskare på ASTRON, sade i en e-postintervju att 2011 kommer 12 av antennerna att vara utrustade med den nya detektoruppsättningen.
Skyundersökningar har varit en välsignelse för astronomer under de senaste åren. Genom att ta enorma mängder data och göra det tillgängligt för det vetenskapliga samfundet har astronomer kunnat göra många fler upptäckter än de skulle ha kunnat genom att ansöka om tid på olika instrument.
Även om det finns några himmelundersökningar i radiospektrumet som har genomförts hittills - VLA FIRST Survey är den mest framstående - har fältet en lång väg att gå. Apertif är det första steget i riktningen för att kartlägga hela himlen i radiospektrumet med stor detalj, och många upptäckter förväntas göras med hjälp av den nya tekniken.
Apertif förväntas upptäcka över 1 000 pulsars, baserat på aktuell modellering av den galaktiska pulsarpopulationen. Det kommer också att vara ett användbart verktyg för att studera neutralt väte i universum på stora skalor.
Dr. Oosterloo et. al. skrev i ett papper som publicerades på Arxiv i juli 2010, ”En av de viktigaste vetenskapliga tillämpningarna av bredfältradioteleskoper som arbetar vid GHz-frekvenser är att observera stora volymer utrymme för att göra en inventering av det neutrala väte i universum. Med sådan information kan egenskaperna hos det neutrala väte i galaxer som funktion av massa, typ och miljö studeras i detalj och, och det är viktigt, för första gången kan utvecklingen av dessa egenskaper med rödförskjutning tas upp. "
Att lägga till radiospektrumet till de synliga och infraröda himmelundersökningarna skulle hjälpa till att finjustera aktuella teorier om universum och göra nya upptäckter. Ju fler ögon på himlen vi har i olika spektra, desto bättre.
Även om Apertif är den första sådan detektor som används, finns det planer på att uppdatera andra radioteleskop med tekniken. Oosterloo sade om andra sådana projekt, ”Fasade matrisflöden byggs också av ASKAP, Australien SKA Pathfinder. Detta är ett instrument med liknande egenskaper som Apertif. Det är vår främsta konkurrent, även om vi också samarbetar om många saker. Jag är också medveten om att en prototyp testas på Arecibo för närvarande. I Kanada gör DRAO [Dominion Radio Astrophysical Observatory] arbete med utveckling av faser av matriser. Men bara Apertif och ASKAP kommer att konstruera ett faktiskt radioteleskop med fungerande fasade matrisflöden på kort sikt. ”
Den 22 och 23 november hölls ett vetenskapligt samordningsmöte om Apertif-projektet i Dwingeloo, Drenthe, Nederländerna. Oosterloo sa att mötet deltog av 40 astronomer, från Europa, USA, Australien och Sydafrika för att diskutera projektets framtid, och att det har varit stort intresse för teknikens potential.
Källor: ASTRONs pressmeddelande, Arxiv, e-postintervju med Dr. Tom Oosterloo och Dr. Joeri Van Leeuwen
