Cuando el inmenso radiotelescopio de Arecibo en Puerto Rico colapsó en 2020, dejó grandes agujeros en la astronomía. Ahora, un equipo del Instituto de Tecnología de California (Caltech) espera abordar algunas de las brechas con un instrumento muy diferente: una serie apretada de antenas de radio relativamente económicas que apuntan a generar imágenes rápidamente de fuentes de radio en amplias franjas del cielo. Una matriz de prototipos casi completa en California que el equipo llama una «cámara de radio» ya está localizando docenas de erupciones enigmáticas y distantes llamadas ráfagas de radio rápidas (FRB). El próximo año, el equipo espera comenzar la construcción de una matriz mucho más grande con 2000 platos que, juntos, igualarán el tamaño de Arecibo.
Maura McLaughlin de la Universidad de West Virginia es líder de NANOGrav (el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales), un esfuerzo para buscar ondas gravitacionales de agujeros negros supermasivos que dependían de Arecibo para obtener la mitad de sus datos. Ella dice que recibieron «un gran golpe de sensibilidad» cuando se perdió. “Realmente necesitamos un nuevo telescopio con un área de recolección similar”, dice, y el Deep Synoptic Array (DSA) planificado por Caltech se ajusta a ese requisito. “Será un cambio de juego”.
Para ganar sensibilidad, los radioastrónomos pueden construir platos grandes como Arecibo o conjuntos de platos más pequeños. Pero en la mayoría de estas matrices, los platos están muy espaciados, lo que agudiza su resolución pero crea «un problema de inundación de datos», dice Gregg Hallinan, investigador principal (PI) de DSA de Caltech. Producir una imagen a partir de una matriz dispersa es como mirar a través de un espejo fragmentado, dice, y recrear la información de las partes que faltan es un proceso no lineal complejo conocido como desconvolución que puede llevar semanas, o incluso años.
Muchos astrónomos solo quieren inspeccionar regularmente el cielo en busca de nuevos objetos o monitorear fuentes en busca de cambios sutiles sin una gran carga de procesamiento. La solución de Caltech, dice Hallinan, es «llenar el espejo» empaquetando platos de bajo costo juntos. Eso facilita la desconvolución y debería permitir que DSA construya imágenes en tiempo real.
El equipo casi ha terminado de ensamblar su prototipo, el DSA-110, una matriz en forma de T de 95 platos espaciados a 1 metro de distancia en el Radio Observatorio Owens Valley de Caltech en California, más otros 15 «estabilizadores» repartidos a más de 1 kilómetro de distancia. Para mantener los costes de construcción en 4 millones de dólares, el instrumento utiliza platos de 4,6 metros disponibles en el mercado, amplificadores caseros y señales de canalización de ondas hechas con moldes para pasteles. La mayoría de los radiotelescopios requieren un costoso enfriamiento criogénico para reducir el ruido del amplificador, pero los ingenieros de Caltech han obtenido un rendimiento similar de los circuitos a temperatura ambiente. (El co-PI Vikram Ravi admite que se desempeñan peor en el calor del verano).
Con un amplio campo de visión, el DSA-110 es bueno para detectar FRB, ráfagas intensas de ondas de radio que duran solo milisegundos y provienen de todo el cielo. Se han detectado varios miles, pero se ha rastreado poco más de una docena hasta sus galaxias de origen, lo que podría contener pistas sobre qué está impulsando las ráfagas. DSA-110 tiene como objetivo localizar muchos más. Si se detecta un estallido, los datos de los platos estabilizadores permiten que el telescopio se acerque y fije el FRB a su galaxia.
Durante 2022, con más de la mitad de los platos en su lugar, incluidos los estabilizadores, DSA-110 identificó galaxias fuente para aproximadamente 20 FRB, superando el número de fuentes localizadas encontradas por todos los demás telescopios. Cuando se complete este verano, debería localizar un par de FRB cada semana, dice Ravi. “Va a ser muy divertido”.
Los resultados hasta ahora ya están confundiendo a los teóricos. Predijeron que es más probable que los FRB provengan de galaxias que están formando rápidamente nuevas estrellas. Tales galaxias abundan en estrellas masivas que rápidamente se quedan sin combustible de fusión y se colapsan en diminutos restos estelares llenos de energía llamados magnetares, los motores favoritos para hacer estallar los FRB. Pero DSA-110 ha encontrado FRB en galaxias inactivas cuyos magnetares se habrían apagado hace mucho tiempo. Eso sugiere que los FRB podrían tener otras fuentes además de los magnetares, dice Victoria Kaspi de la Universidad McGill. Justo esta semana en Naturaleza Astronomíalos investigadores informaron de un FRB que parecía provienen de la fusión de dos estrellas de neutrones. “Es importante tener muchos FRB localizados”, dice Kaspi. “Es posible que podamos ver diferentes poblaciones [of FRBs] de diferentes fuentes».
Mientras tanto, el equipo de Caltech se está preparando para la siguiente fase: DSA-2000. Con 19 por 15 kilómetros, será demasiado grande para Owens Valley, por lo que el equipo está buscando en Hot Creek Valley en Nevada, una región escasamente poblada y tranquila en cuanto a radio. Para mantener los costos bajos, el equipo de Caltech planea fabricar sus propios platos de 5 metros moldeando láminas de aluminio. Aunque DSA-2000 no será tan sensible como otros radioobservatorios planificados, como el Square Kilometer Array en Sudáfrica y Australia, los superará en velocidad de reconocimiento. Las encuestas existentes han registrado 10 millones de fuentes de radio en el cielo, dice Hallinan. DSA-2000 aumentará ese número 100 veces a mil millones, brindando a los astrónomos, por ejemplo, una mejor imagen de cómo se forman y crecen las galaxias, y permitiéndoles capturar fuentes fugaces como la fusión de estrellas de neutrones en un volumen mucho más amplio.
A finales de este año, el equipo solicitará a la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. para complementar las fuentes privadas que han financiado el trabajo de desarrollo. Si el equipo puede recaudar los $ 144 millones necesarios para construir la matriz, DSA-2000 podría comenzar a registrar decenas de miles de FRB en 2026. Eso podría permitir a los astrónomos comenzar a usar FRB como herramienta de mapeo. A medida que los pulsos compactos se mueven por el espacio, quedan manchados por el gas que atraviesan, dando a los astrónomos una pista sobre la ubicación del gas alrededor y entre las galaxias que normalmente es invisible para los telescopios. Los astrónomos no saben dónde está la mitad de la materia normal del universo; Los FRB podrían ayudarlos a encontrarlo.
Una cuarta parte de su tiempo se dedicará a espiar otro componente oculto del universo: los colosales agujeros negros que acechan en el centro de las galaxias con masas de millones o miles de millones de soles. Cuando las galaxias se fusionan, la galaxia recién formada debería terminar con dos de estos pesados gigantes, dando vueltas entre sí con cautela y produciendo ondas gravitacionales largas y lánguidas. Los detectores en la Tierra han detectado ondas más cortas y nítidas generadas por colisiones de agujeros negros del tamaño de estrellas. Pero se necesita un detector de años luz para captar estas ondas largas. La estrategia de NANOGrav es observar cuidadosamente los púlsares, fósiles estelares giratorios que emiten pulsos de radio metronómicos cientos de veces por segundo. Una onda gravitacional que pasa cambiaría ligeramente la tasa de repetición de un púlsar a medida que ondula el espacio entre el púlsar y la Tierra.
Más de una década de observación de varias docenas de púlsares aún no ha arrojado una detección firme. Pero con el DSA-2000 monitoreando más púlsares, con mayor precisión y frecuencia, podría surgir una señal, dice Chiara Mingarelli, miembro de NANOGrav, de la Universidad de Connecticut, Storrs. Eso abriría «una nueva frontera», dice, revelando agujeros negros gigantes que realizan un pas de deux oculto. «DSA-2000 será transformador para la astronomía de ondas gravitacionales».
