For at hjælpe med fordøjelsen af en ny æra inden for radioastronomi udfoldes en ny teknik til forbedring af det ved Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) i Holland. Ved at tilføje en plade med detektorer til fokalplanet for kun en af de 14 radioantenner ved WSRT, har astronomer ved det nederlandske institut for radioastronomi (ASTRON) været i stand til at afbilde to pulsarer adskilt med over 3,5 lysbuer, hvilket er ca. 7 gange størrelsen på fuldmåne set fra Jorden.
Det nye projekt - kaldet Apertif - bruger en række detektorer i radioteleskopets fokusplan. Dette 'fasede array feed' - lavet af 121 separate detektorer - øger synsfeltet for radioteleskopet med over 30 gange. Dermed kan astronomer se en større del af himlen i radiospektret. Hvorfor er dette vigtigt? I overensstemmelse med vores fødekursanalogi, kan du forestille dig at spise en skål suppe med en fingerbøl - du kan kun få en lille del af suppen i munden ad gangen. Forestil dig så at prøve at spise det med en øse.
Denne samme analogi af undersøgelse og observation af himlen for radiokilder gælder. Dr. Tom Oosterloo, Principle Investigator for Apertif-projektet, forklarer kødet af den nye teknik:
”Den faserede matrix-feed består af 121 små antenner, tæt pakket sammen. Denne matrix dækker cirka 1 kvadratmeter. Hver WSRT vil have en sådan antennematrix i sit fokus. Denne matrix prøver fuldt ud strålingsfeltet i fokalplanet. Ved at kombinere signalerne fra alle 121 elementer, en "sammensatte bjælker" [sic] kan dannes, som kan styres til at pege på ethvert sted inden for et område på 3 × 3 grader på himlen. Ved at kombinere signalerne fra alle 121 elementer, kan teleskopets respons optimeres, dvs. alle optiske forvrængninger kan fjernes (fordi strålingsfeltet er fuldt målt). Denne proces udføres parallelt 37 gange, dvs. 37 sammensatte bjælker dannes. Hver sammensatte stråle fungerer dybest set som et separat teleskop. Hvis vi gør dette i alle WSRT-retter, har vi 37 WSRT'er parallelt. Ved at styre alle bjælker til forskellige placeringer i området 3 × 3 grader, kan vi observere dette område fuldstændigt. ”
Med andre ord bruger traditionelle radioteleskoper kun en enkelt detektor i teleskopets fokusplan (hvor al strålingen er fokuseret af teleskopet). De nye detektorer ligner noget CCD-chip i dit kamera, eller dem, der bruges i moderne optiske teleskoper som Hubble. Hver separat detektor i arrayet modtager data, og ved at kombinere dataene til et sammensat billede kan der optages et højkvalitetsbillede.
Det nye array vil også udvide synsfeltet for radioteleskopet, hvilket muliggjorde denne seneste observation af vidt adskilte pulsarer på himlen, en milepælprøve for projektet. Som en ekstra bonus øger den nye detektor effektiviteten af "blænden" til ca. 75%, op fra 55% med de traditionelle antenner.
Dr. Oosterloo forklarede, ”Blændeeffektiviteten er højere, fordi vi har meget mere kontrol over strålingsfeltet i fokusplanet. Med de klassiske enkle antennesystemer (som i den gamle WSRT eller som i eVLA) måler man strålingsfeltet kun i et enkelt punkt. Ved at måle strålingsfeltet over hele fokalplanet og ved intelligent at kombinere signalerne fra alle elementer kan optiske forvrængningseffekter minimeres, og en større del af den indkommende stråling kan bruges til at forestille himlen. ”
Foreløbig er der kun en af de 14 radioantenner, der er udstyret med Apertif. Joeri Van Leeuwen, forsker hos ASTRON, sagde i en e-mail-samtale, at i 2011 vil 12 af antennerne være udstyret med den nye detektorgruppe.
Himmelundersøgelser har været en velsignelse for astronomer i de senere år. Ved at tage enorme mængder data og gøre dem tilgængelige for det videnskabelige samfund har astronomer været i stand til at gøre mange flere opdagelser, end de ville have været i stand til ved at søge tid på forskellige instrumenter.
Selvom der er nogle himmelundersøgelser i radiospektret, der er afsluttet indtil videre - VLA FIRST-undersøgelsen er den mest fremtrædende - har feltet en lang vej at gå. Apertif er det første skridt i retning af kortlægning af hele himlen i radiospektret med stor detaljer, og mange forventninger vil blive foretaget ved hjælp af den nye teknik.
Apertif forventes at opdage over 1.000 pulsarer, baseret på nuværende modellering af den galaktiske pulsarpopulation. Det vil også være et nyttigt værktøj til at studere neutralt brint i universet i store skalaer.
Dr. Oosterloo et. al. skrev i et papir, der blev offentliggjort på Arxiv i juli 2010, ”En af de vigtigste videnskabelige anvendelser af bredt felt-radioteleskoper, der arbejder ved GHz-frekvenser, er at observere store rumfang for at gøre en opgørelse over det neutrale brint i universet. Med sådanne oplysninger kan egenskaberne ved det neutrale brint i galakser som funktion af masse, type og miljø undersøges meget detaljeret, og vigtigst af alt er, at for første gang kan man tage fat på udviklingen af disse egenskaber med rødskift. ”
At tilføje radiospektret til de synlige og infrarøde himmelundersøgelser ville hjælpe med til at finjustere aktuelle teorier om universet samt gøre nye opdagelser. Jo flere øjne på himlen vi har i forskellige spektre, jo bedre.
Selvom Apertif er den første sådan detektor, der er i brug, er der planer om at opdatere andre radioteleskoper med teknologien. Oosterloo sagde om andre sådanne projekter, “Fasede array-feeds bygges også af ASKAP, den australske SKA Pathfinder. Dette er et instrument med lignende egenskaber som Apertif. Det er vores vigtigste konkurrent, selvom vi også samarbejder om mange ting. Jeg er også opmærksom på, at der i øjeblikket testes en prototype på Arecibo. I Canada udfører DRAO [Dominion Radio Astrophysical Observatory] arbejde med faserudvikling af matrixfoder. Imidlertid er det kun Apertif og ASKAP, der konstruerer et reelt radioteleskop med arbejdsfaset matrixfeeds på kort sigt. ”
Den 22. og 23. november blev der afholdt et videnskabskoordinationsmøde om Apertif-projektet i Dwingeloo, Drenthe, Holland. Oosterloo sagde, at mødet deltog i 40 astronomer fra Europa, USA, Australien og Sydafrika for at diskutere projektets fremtid, og at der var stor interesse for teknikens potentiale.
Kilder: ASTRONs pressemeddelelse, Arxiv, e-mail-interview med Dr. Tom Oosterloo og Dr. Joeri Van Leeuwen
