El Hydrogen Epoch of Reionization Array ( HERA ) es un radiotelescopio dedicado a observar estructuras a gran escala durante y antes de la época de reionización . HERA es un instrumento precursor de Square Kilometer Array (SKA), destinado a observar el universo temprano y ayudar en el diseño del SKA completo. Junto con MeerKAT , también en Sudáfrica, y dos radiotelescopios en Australia Occidental , el australiano SKA Pathfinder (ASKAP) y el Murchison Widefield Array (MWA), el HERA es uno de los cuatro precursores del SKA final. [1]
Ubicación (es) | Sudáfrica |
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Coordenadas | 30 ° 43′17 ″ S 21 ° 25′42 ″ E / 30,72146 ° S 21,42822 ° ECoordenadas : 30 ° 43′17 ″ S 21 ° 25′42 ″ E / 30,72146 ° S 21,42822 ° E |
Estilo telescopio | Radio telescopio |
Diámetro | 14 m (45 pies 11 pulgadas) |
Sitio web | reionización |
Ubicación de la matriz de la época de reionización del hidrógeno | |
Motivación
Existe un gran intervalo de tiempo entre la época de recombinación del universo ( z = 1100) y el tiempo (z = 7 ± 1 [2] ) después del cual el gas intergaláctico se reioniza en gran medida. Los estudios del fondo cósmico de microondas (CMB) han mostrado la estructura del universo al comienzo de este intervalo, y los estudios ópticos profundos como el Sloan Digital Sky Survey muestran la estructura después de este intervalo de tiempo, pero hay pocos datos disponibles de la tiempo en el que aparecieron la primera generación de estrellas y los primeros agujeros negros. Dado que el hidrógeno era, con mucho, el elemento más común en el universo temprano, una forma natural de examinar la época en que aparecieron las estrellas es observar la fracción de hidrógeno que está ionizado. Los astrónomos observan hidrógeno atómico frío con la línea espectral de 21 cm (1420 MHz) . Suponiendo que la reionización ocurre en z = 6 a 8, uno esperaría ver esta línea espectral desplazada al rojo en un rango de frecuencia de alrededor de 150 a 200 MHz. Una serie de instrumentos como PAPER , LOFAR y MWA han estado buscando esta radiación. HERA es un proyecto que busca esta radiación con una sensibilidad mejorada.
El CMB proporciona una pantalla de fondo en la que se verá la señal de reionización de hidrógeno. El gas hidrógeno muy frío absorberá fotones CMB y producirá una caída en la señal CMB. El hidrógeno caliente emitirá fotones de 21 cm (marco de reposo), aumentando el brillo del cielo por encima de lo que proporciona el CMB. Una vez que el hidrógeno se reioniza completamente, el CMB ya no se verá afectado por las transiciones de línea de 21 cm del hidrógeno neutro. Observar cómo la absorción y la emisión varían en función de z, y en función de la posición del cielo, proporcionará restricciones estrictas a los modelos de formación de estrellas, galaxias y agujeros negros supermasivos.
Desafíos técnicos
HERA observará en la banda de frecuencia de 50 a 250 MHz. [3] Este rango de frecuencia incluye señales de transmisión para radio FM , televisión y muchas otras fuentes terrestres. Estas señales serán muchos órdenes de magnitud más fuertes que la señal que está buscando HERA, por lo que para minimizar esta interferencia, HERA se está construyendo en el desierto de Karoo, escasamente poblado , en Sudáfrica, cerca de Carnarvon .
La interferencia del Sol también interrumpe las observaciones, lo que restringe las observaciones a las horas nocturnas. También debe evitarse el plano galáctico de la Vía Láctea. Estas dos limitaciones limitan las observaciones científicas de HERA a una ventana de observación anual de aproximadamente 4 meses de duración.
Otro desafío técnico importante es la emisión de fuentes de primer plano como los cuásares y el gas ionizado dentro de la Vía Láctea. Se espera que esta emisión sea de cuatro a cinco órdenes de magnitud más fuerte que las señales de época de recombinación que HERA intentará detectar. Sin embargo, este primer plano se compone de sincrotrón y emisión libre libre , que no tiene características espectrales estrechas. Por el contrario, el objetivo de HERA es detectar la formación de regiones cálidas neutras e ionizadas dentro del gas intergaláctico, y esas regiones deberían producir características espectrales estrechas. La matriz HERA debe tener un paso de banda espectral suave para que cuando la emisión de primer plano se reste de la señal detectada, las características estrechas restantes provengan de los objetos astronómicos en lugar de la respuesta espectral del instrumento. [4]
Diseño de telescopio
HERA es un radiointerferómetro que correlaciona las señales de pares de antenas individuales. Los radiointerferómetros destinados a la obtención de imágenes suelen estar diseñados para minimizar el número de líneas de base idénticas, con el fin de medir la emisión en el mayor número posible de frecuencias espaciales para la reconstrucción de imágenes. [5] Por el contrario, las antenas de la matriz HERA se despliegan en un patrón de mosaico hexagonal , lo que proporciona una gran cantidad de líneas de base idénticas. Si bien esta geometría reduce la calidad de las imágenes que puede producir HERA, permite sumar señales de líneas de base idénticas para mejorar la relación señal / ruido.
Las antenas individuales tienen una alimentación de dipolo cruzado suspendida sobre un plato parabólico de malla de alambre de 14 metros . [6] Las antenas no son orientables, apuntan hacia el cenit. El tamaño de la antena se seleccionó para que fuera lo suficientemente grande como para que cualquier onda estacionaria dentro de la estructura de la antena estuviera en frecuencias inferiores a 50 MHz, fuera de la banda de frecuencia de interés. Las antenas están construidas con materiales de bajo costo como madera y tuberías de PVC . [7]
Cuando se complete, la matriz constará de 350 antenas (318 en un núcleo hexaconal densamente empaquetado de 300 metros de ancho y 32 en estabilizadores más distantes). [8] El área total de recolección será de 54.000 m², similar a la del Observatorio de Arecibo .
Resultados
Debido al gran ancho de banda fraccional de la matriz (que complica la sustracción de la señal de primer plano) y la debilidad de la señal cosmológica (aproximadamente 10 milikelvin), es poco probable que HERA produzca imágenes de alta calidad de estructuras individuales dentro del gas reionizante. En cambio, la matriz medirá el espectro de potencia de las fluctuaciones en el gas, al igual que lo hacían los primeros instrumentos CMB. [9]
Referencias
- ^ "Precursores y conquistadores" . Matriz de kilómetros cuadrados . Consultado el 22 de noviembre de 2020 .
- ^ Greig, Bradley; Mesinger, Andrei (marzo de 2017). "La historia global de la reionización" . Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 465 (4): 4838–4852. arXiv : 1605.05374 . Código bibliográfico : 2017MNRAS.465.4838G . doi : 10.1093 / mnras / stw3026 . S2CID 119241410 . Consultado el 25 de noviembre de 2020 .
- ^ DeBoer, David R .; Parsons, Aaron R .; et al. (Abril de 2017). "Matriz de la época de reionización del hidrógeno (HERA)" . Publicaciones de la Sociedad Astronómica del Pacífico . 129 (974): 045001. arXiv : 1606.07473 . Código Bib : 2017PASP..129d5001D . doi : 10.1088 / 1538-3873 / 129/974/045001 . S2CID 2874230 . Consultado el 22 de noviembre de 2020 .
- ^ Carilli, CL; Thyagarajan, N .; et al. (Abril de 2020). "Datos de generación de imágenes y modelado de la matriz de reionización de la época del hidrógeno" (PDF) . Sociedad Astronómica Estadounidense . 247 (2): 67. arXiv : 2002.07692 . Código Bibliográfico : 2020ApJS..247 ... 67C . doi : 10.3847 / 1538-4365 / ab77b1 . Consultado el 25 de noviembre de 2020 .
- ^ Keto, Eric (1997). "Las formas de los interferómetros de correlación cruzada" . El diario astrofísico . 475 (2): 843–852. Bibcode : 1997ApJ ... 475..843K . doi : 10.1086 / 303545 . Consultado el 8 de noviembre de 2020 .
- ^ Fagnoni, N .; De Lera Acedo, E. (2016). "La" Matriz de Reionización de la Época del Hidrógeno "(HERA) - Mejora de la respuesta de la antena con una red de correspondencia e impactos científicos" (PDF) . Conferencia internacional de 2016 sobre electromagnetismo en aplicaciones avanzadas (ICEAA) : 629–632. arXiv : 1606.08701 . doi : 10.1109 / ICEAA.2016.7731474 . ISBN 978-1-4673-9811-4. S2CID 206786624 . Consultado el 25 de noviembre de 2020 .
- ^ "Diseño técnico" . HERA Hydrogen Epoch of Reionization Array . Consultado el 25 de noviembre de 2020 .
- ^ "Sobre Hera" . HERA Hydrogen Epoch of Reionization Array . Consultado el 23 de mayo de 2021 .
- ^ Aguirre, James E .; Beardsley, Adam P .; et al. (Septiembre de 2019). "Una hoja de ruta para la astrofísica y la cosmología con mapeo de intensidad de 21 cm de alto desplazamiento al rojo" (PDF) . Boletín de la Sociedad Astronómica Estadounidense . 51 (7): 241. arXiv : 1907.06440 . Código bibliográfico : 2019BAAS ... 51g.241P . Consultado el 25 de noviembre de 2020 .
enlaces externos
- Página web oficial
- The Hydrogen Epoch of Reionization Array (coloquio de 2016 CfA sobre HERA) en YouTube 1:04:22