El Experimento Canadiense de Mapeo de la Intensidad del Hidrógeno ( CHIME ) es un radiotelescopio interferométrico en el Observatorio Radio Astrofísico Dominion en Columbia Británica , Canadá , que consta de cuatro antenas que constan de reflectores parabólicos cilíndricos de 100 x 20 metros (aproximadamente del tamaño y forma de los medios tubos de snowboard ) con 1024 receptores de radio de doble polarización suspendidos sobre un soporte encima de ellos. La antena recibe ondas de radio del hidrógeno en el espacio a frecuencias de 400 a 800 MHz.distancia. Los amplificadores de bajo ruido del telescopio están construidos con componentes adaptados de la industria de la telefonía celular y sus datos se procesan utilizando un sistema electrónico FPGA personalizado y un clúster GPGPU de alto rendimiento de 1000 procesadores . [1] El telescopio no tiene partes móviles y observa la mitad del cielo todos los días mientras la Tierra gira. También ha resultado ser un instrumento superior para observar el fenómeno recientemente descubierto de las ráfagas de radio rápidas (FRB).
![]() Telescopio CHIME | |
Parte de | Observatorio Radio Astrofísico Dominion ![]() |
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Ubicación (es) | Okanagan Falls , Columbia Británica , Canadá |
Coordenadas | 49 ° 19′16 ″ N 119 ° 37′26 ″ O / 49,321 ° N 119,624 ° WCoordenadas : 49 ° 19′16 ″ N 119 ° 37′26 ″ O / 49,321 ° N 119,624 ° W ![]() |
Organización | Dominion Radio Astrophysical Observatory Universidad McGill Universidad de Columbia Británica Universidad de Toronto ![]() |
Altitud | 545 m (1788 pies) ![]() |
Longitud de onda | 37 cm (810 MHz) -75 cm (400 MHz) |
Construido | 2015 – agosto de 2017![]() |
Primera luz | 7 de septiembre de 2017 ![]() |
Estilo telescopio | radiotelescopio telescopio Zenith ![]() |
Numero de telescopios | 4 ![]() |
Diámetro | ![]() |
Largo | 100 m (328 pies 1 pulgada) ![]() |
Ancho | 20 m (65 pies 7 pulgadas) ![]() |
Área de recolección | 8.000 m 2 (86.000 pies cuadrados)![]() |
Sitio web | chime-experiment ![]() |
![]() ![]() Ubicación del experimento canadiense de mapeo de la intensidad del hidrógeno | |
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AVISO es una asociación entre la Universidad de British Columbia , Universidad McGill , la Universidad de Toronto y el canadiense National Research Council 's Observatorio Astrofísico Dominion Radio . El 7 de septiembre de 2017 se celebró una primera ceremonia de luz para inaugurar la fase de puesta en servicio.
Metas científicas
Cosmología
Uno de los mayores enigmas de la cosmología contemporánea es por qué se acelera la expansión del Universo . [2] Aproximadamente el setenta por ciento del Universo actual consiste en la llamada energía oscura que contrarresta la fuerza de atracción de la gravedad y causa esta aceleración. Se sabe muy poco sobre qué es la energía oscura. CHIME está en proceso de realizar mediciones precisas de la aceleración del Universo para mejorar el conocimiento de cómo se comporta la energía oscura. El experimento está diseñado para observar el período en la historia del Universo durante el cual el modelo estándar ΛCDM predice que la energía oscura comenzó a dominar la densidad de energía del Universo y cuando la expansión desacelerada pasó a la aceleración.
CHIME hará otras observaciones además de su principal propósito cosmológico. El estudio diario de CHIME del cielo permitirá el estudio de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, en frecuencias de radio, y se espera que mejore la comprensión de los campos magnéticos galácticos . [3]
CHIME también ayudará a otros experimentos a calibrar mediciones de ondas de radio de estrellas de neutrones que giran rápidamente , que los investigadores esperan utilizar para detectar ondas gravitacionales . [1]
Transitorios de radio
CHIME se está utilizando para descubrir y monitorear púlsares y otros transitorios de radio; se desarrolló un instrumento especializado para estos objetivos científicos. El telescopio monitorea 10 púlsares a la vez durante todo el día para observar la variación en su cronometraje que podría indicar una onda gravitacional pasajera . [4] CHIME es capaz de detectar las misteriosas ráfagas de radio rápidas extragalácticas (FRB) que duran apenas milisegundos y no tienen una explicación astrofísica bien establecida. [1]
Método
El instrumento es un interferómetro semicilíndrico híbrido diseñado para medir el espectro de potencia de hidrógeno neutro a gran escala en el rango de desplazamiento al rojo de 0,8 a 2,5. El espectro de potencia se utilizará para medir la escala de oscilación acústica bariónica (BAO) en este rango de corrimiento al rojo donde la energía oscura se convierte en un contribuyente significativo a la evolución del Universo. [3]
CHIME es sensible a las ondas de radio de 21 cm emitidas por nubes de hidrógeno neutro en galaxias distantes y es sensible a las ondas desplazadas al rojo. Al medir la distribución del hidrógeno en el Universo, una técnica conocida como mapeo de intensidad, CHIME hará un mapa en 3D de la estructura a gran escala del Universo entre corrimientos al rojo de 0.8 y 2.5, cuando el Universo estaba entre aproximadamente 2.5 y 7 mil millones. años. Por lo tanto, CHIME cartografiará más del 3% del volumen total observable del Universo, sustancialmente más de lo que se ha logrado mediante estudios de estructuras a gran escala hasta la fecha, durante una época en la que el Universo no se observa en gran medida. [3] Se pueden usar mapas de estructuras a gran escala para medir la historia de expansión del Universo porque las ondas sonoras en el Universo temprano, u oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), han dejado ligeras sobredensidades en la distribución de la materia en escalas de aproximadamente 500 millones de años luz. Esta escala característica de BAO ha sido bien medida por experimentos como Planck y, por lo tanto, puede usarse como una 'regla estándar' para determinar el tamaño del Universo en función del tiempo, lo que indica la tasa de expansión. [5]
Las mediciones de BAO hasta la fecha se han realizado observando la distribución de las galaxias en el cielo. Si bien los experimentos futuros, como The Dark Energy Survey , Euclid y el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), continuarán utilizando esta técnica, CHIME es un pionero en el uso de la emisión de radio de hidrógeno en lugar de la luz de las estrellas como trazador de estructura para detectar BAO. . Aunque CHIME no se puede utilizar para la misma ciencia auxiliar en la que sobresalen los estudios de galaxias, para la medición de BAO, CHIME representa una alternativa muy rentable ya que no es necesario observar galaxias individuales.
Tecnología
La elección de utilizar algunos reflectores alargados en lugar de muchos platos circulares es inusual pero no original de CHIME: otros ejemplos de telescopios semicilíndricos son el telescopio de síntesis del Observatorio Molonglo en Australia y el radio telescopio Northern Cross en Italia. Este diseño fue elegido para CHIME como una forma rentable de disponer antenas de radio compactas para que el telescopio pueda observar el cielo en una amplia gama de escalas angulares. El uso de varios semicilindros paralelos proporciona una resolución comparable a lo largo de ambos ejes del telescopio.
Las antenas están diseñadas a medida para que CHIME tenga una buena respuesta en el rango de 400 a 800 MHz en dos polarizaciones lineales. Las antenas de placa de circuito impreso a base de teflón en forma de pétalos de hoja de trébol [se necesita aclaración ] están ubicadas a lo largo de la línea focal de cada uno de los reflectores de medio tubo de malla de alambre . Hay balunes que combinan señales diferenciales de dos pétalos de hojas de trébol adyacentes en una señal de un solo extremo . Hay cuatro pétalos en cada antena, proporcionando dos salidas analógicas. Con 256 antenas por reflector y el total de cuatro reflectores, el telescopio tiene las 2.048 salidas analógicas combinadas para ser procesadas. [6] La señal de las antenas se amplifica en dos etapas que hacen uso de la tecnología desarrollada por la industria de la telefonía celular. Esto permite que CHIME mantenga la cadena analógica con un ruido relativamente bajo sin dejar de ser asequible. [7] Cada salida de radiofrecuencia de las antenas es amplificada por un amplificador de bajo ruido que se ubica en el mismo lugar. Las salidas de los amplificadores viajan a través de cables coaxiales con una longitud de 60 metros (200 pies) hasta los procesadores dentro de contenedores blindados llamados motores F. [6]
CHIME funciona como un correlacionador, lo que significa que las entradas de todas las antenas se combinan para que todo el sistema funcione como un solo sistema. Esto requiere una potencia informática considerable. Las señales analógicas se digitalizan a 800 MHz y se procesan mediante una combinación de placas de circuito de matrices de puertas programables en campo (FPGA) personalizadas [8] y unidades de procesamiento de gráficos (GPU). El Pathfinder tiene un correlador completamente funcional hecho a partir de estas unidades y ha demostrado que la tecnología de GPU de nivel de consumidor proporciona suficiente potencia de procesamiento para CHIME a una fracción del precio de otros correladores de radio. [3] [9] [10] [11] Hay dos contenedores de motor F ubicados entre dos reflectores adyacentes. Dentro de los contenedores del motor F, las señales analógicas se filtran y amplifican en paso de banda y luego se digitalizan mediante convertidores de analógico a digital de 8 bits a una frecuencia de muestreo operativa de 800 millones de muestras por segundo. El resultado es la velocidad de datos digitales del telescopio de 13,11 terabits por segundo. Los datos digitales son procesados por los motores F basados en FPGA para organizarlos en contenedores de frecuencia. Luego, los datos se envían a través de cables ópticos al contenedor del motor X ubicado junto al telescopio. X-engine, que tiene 256 nodos de procesamiento con GPU, realiza la correlación y el promedio de los datos del motor F. Una ventaja de usar GPU en el diseño del motor X es la facilidad de programación. Sin embargo, eso conlleva el costo de un mayor consumo de energía en comparación con una solución FPGA. El telescopio consume 250 kilovatios de potencia. [6]
- Componentes
Uno de los cuatro reflectores de medio tubo de malla de alambre
Antenas en forma de trébol en la línea focal
Un motor F ubicado entre dos reflectores adyacentes
El motor X ubicado junto al telescopio CHIME
Historia
En 2013, se construyó el telescopio CHIME Pathfinder, también en DRAO. [12] Es una versión a menor escala del instrumento completo, que consta de dos semicilindros de 36 x 20 metros poblados por 128 antenas de polarización dual, y actualmente se utiliza como banco de pruebas para la tecnología CHIME y técnicas de observación. Además, el Pathfinder también será capaz de realizar una medición inicial de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) con la técnica de mapeo de intensidad y se convertirá en un telescopio útil por derecho propio.
La construcción de CHIME comenzó en 2015 en el Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO) cerca de Penticton , Columbia Británica , Canadá . En noviembre de 2015, se informó que CHIME estaba "casi operativo", lo que requería la instalación de receptores [13] y la construcción de la supercomputadora. [14] En marzo de 2016 se firmó el contrato para los chips de procesamiento. [15]
La construcción de CHIME finalizó en agosto de 2017. El 7 de septiembre de 2017 se llevó a cabo una primera ceremonia de luz con la Ministra de Ciencia federal Kirsty Duncan para inaugurar la fase de puesta en servicio. [16] [17] [18] Las operaciones científicas comenzaron a fines de septiembre de 2018, [19] y comenzaron a detectar varios eventos dentro de su primera semana. [20]
Uno de los primeros descubrimientos del Proyecto CHIME / Fast Radio Burst (CHIME / FRB) fue el segundo FRB repetido que se observó, FRB 180814. [21] CHIME / FRB también descubrió el primer FRB que se repite a intervalos regulares: 180916.J0158 +65 tiene una periodicidad de 16,35 días. A una distancia de solo 500 millones de años luz, también es el FRB más cercano jamás descubierto. [22]
CHIME es tan sensible que se espera que eventualmente detecte docenas de FRB por día. [20]
Ver también
- Lista de radiotelescopios
- Experimento de análisis de intensidad de hidrógeno y tiempo real (HIRAX), un conjunto de radiotelescopios propuesto en Sudáfrica en la misma banda de frecuencia que CHIME
- Observatorio canadiense de hidrógeno y detector de transitorios radioeléctricos (CHORD), un sucesor propuesto de banda más amplia (300-1800 MHz) de CHIME [23]
Referencias
- ↑ a b c Castelvecchi, Davide (2015). " El telescopio ' Half-pipe' explorará la energía oscura en el Universo adolescente" . Naturaleza . 523 (7562): 514–515. Código Bib : 2015Natur.523..514C . doi : 10.1038 / 523514a . PMID 26223607 .
- ^ Andreas Albrecht; et al. (2006). "Informe de la Fuerza de Tarea de Energía Oscura". arXiv : astro-ph / 0609591 .
- ^ a b c d Kevin Bandura; et al. (2014). "Pathfinder del experimento canadiense de mapeo de intensidad de hidrógeno (CHIME)" . Procedimientos de SPIE . 9145 . arXiv : 1406.2288 . doi : 10.1117 / 12.2054950 .
- ^ Clery, Daniel (15 de marzo de 2019). "Parpadea en el escaneo". Ciencia . 363 (6432): 1139. Bibcode : 2019Sci ... 363.1138C . doi : 10.1126 / science.363.6432.1138 . PMID 30872502 .
- ^ Seo, Hee-Jong; Eisenstein, Daniel J. (2003). "Sondeo de energía oscura con oscilaciones acústicas bariónicas de futuras encuestas de Redshift de galaxias grandes". El diario astrofísico . 598 (2): 720–740. arXiv : astro-ph / 0307460 . Código Bibliográfico : 2003ApJ ... 598..720S . doi : 10.1086 / 379122 . S2CID 13849508 .
- ^ a b c Leibson, Steven (24 de enero de 2019). "Repitiendo ráfagas rápidas de radio suenan CHIME de Canadá: FPGA, GPU y CPU tamizan a través del espectro electromagnético del universo para hacer el descubrimiento" . Revista de Ingeniería Electrónica . Consultado el 12 de agosto de 2019 .
- ^ Laura Newburgh; et al. (2014). "Calibración de CHIME, un nuevo radiointerferómetro para sondear la energía oscura" . Procedimientos de SPIE . 9145 . arXiv : 1406.2267 . doi : 10.1117 / 12.2056962 .
- ^ Bandura, Kevin; et al. (2016). "ICE: un sistema de red y procesamiento de señales de telescopio basado en FPGA, escalable y de bajo costo". J. Astron. Inst . 5 (4): 1641005. arXiv : 1608.06262 . Código bibliográfico : 2016JAI ..... 541005B . doi : 10.1142 / S2251171716410051 . S2CID 118853428 .
- ^ Recnik, Andre; et al. (2015). Un canal de datos eficiente en tiempo real para el motor X del radiotelescopio CHIME Pathfinder . IEEE 26th International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors . CFP15063-USB. Toronto, Ontario, Canadá. págs. 57–61. arXiv : 1503.06189 . Código bibliográfico : 2015arXiv150306189R . ISBN 978-1-4799-1924-6.
- ^ Klages, Peter; et al. (2015). Núcleos de GPU para procesamiento de datos astrofísicos de 4 bits de alta velocidad . IEEE 26th International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors . CFP15063-USB. Toronto, Ontario, Canadá. págs. 164-165. arXiv : 1503.06203 . Código bibliográfico : 2015arXiv150306203K . ISBN 978-1-4799-1924-6.
- ^ Denman, Nolan; et al. (2015). Un motor Correlator X basado en GPU implementado en el CHIME Pathfinder . IEEE 26th International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors . CFP15063-USB. Toronto, Ontario, Canadá. págs. 35–40. arXiv : 1503.06202 . Código bibliográfico : 2015arXiv150306202D . ISBN 978-1-4799-1924-6.
- ^ Semeniuk, Ivan (27 de enero de 2013). "Los científicos canadienses intentan arrojar luz sobre la energía oscura" . El globo y el correo . Toronto . Consultado el 29 de julio de 2015 .
- ^ Arstad, Steve (13 de noviembre de 2015). "Penticton acoge la conferencia internacional de astrofísica" . Infonews . Consultado el 8 de marzo de 2016 .
- ^ CHIME , Instituto Dunlap. Consultado el 7 de marzo de 2016.
- ^ El telescopio CHIME de Canadá aprovecha AMD para super basado en GPU. Abril de 2016
- ^ Escuchando al universo para intervenir, Ivan Semeniuk, The Globe and Mail , 2017-09-07
- ^ El ingenio canadiense crea una tecnología revolucionaria para el telescopio CHIME , SpaceDaily , 2017-09-11
- ^ Murray, Steve (22 de marzo de 2018). "CHIME comienza su búsqueda cósmica" . Revista de Astronomía . Consultado el 24 de marzo de 2018 .
- ^ El proyecto CHIME Fast Radio Burst: descripción general del sistema . M. Amiri, K. Bandura, P. Berger, M. Bhardwaj, MM Boyce. El diario astrofísico . 9 de agosto de 2018.
- ^ a b El radiotelescopio registra misteriosas explosiones de baja frecuencia procedentes del exterior de nuestra galaxia . Rebecca Joseph, Global News . El 3 de agosto de 2018.
- ^ La colaboración CHIME / FRB (9 de enero de 2019). "Una segunda fuente de repetición de ráfagas de radio rápidas". Naturaleza . 566 (7743): 235–238. arXiv : 1901.04525 . Código Bib : 2019Natur.566..235C . doi : 10.1038 / s41586-018-0864-x . PMID 30653190 . S2CID 186244363 .
- ^ Ferreira, Becky (7 de febrero de 2020). "Algo en el espacio profundo está enviando señales a la tierra en ciclos constantes de 16 días" . Consultado el 10 de febrero de 2020 .
- ^ K. Vanderlinde; K. Bandura; L. Belostotski; R. Bond; P. Boyle; J. Brown; HC Chiang; M. Dobbs; B. Gaensler; G. Hinshaw; V. Kaspi; T. Landecker; A. Liu; K. Masui; J. Mena-Parra; C. Ng; U. Pen; M. Rupen; J. Sievers; K. Smith; K. Spekkens; I. Escaleras; N. Turok; et al. (The CHORD Collaboration) (5 de noviembre de 2019). "El Observatorio Canadiense de Hidrógeno y Detector de Transitorios Radiológicos (CHORD)". Documentos técnicos del plan canadiense a largo plazo para la astronomía y la astrofísica . 2020 : 28. arXiv : 1911.01777 . Bibcode : 2019clrp.2020 ... 28V . doi : 10.5281 / zenodo.3765414 . S2CID 207870335 .
enlaces externos
- Sitio oficial de CHIME
- Página CHIME de la Universidad de Toronto
- CHIME: Actualización de estado. 2013 44 diapositivas inc Diagramas de formación de vigas