Laboratorio de desarrollo central de NRAO: hacer visible lo invisible.

El equipo de CDL supera los límites de la ingeniería para ayudar a NRAO (National Radio Astronomy Observer) a ver el universo de formas nuevas y poderosas.

Antenas en el Very Large Array retroiluminado por el sol poniente. Crédito: NRAO / AUI / NSF.

Ubicado entre las colinas del campus de la Universidad de Virginia, hay un par de edificios indescriptibles. Son el hogar del Laboratorio de Desarrollo Central (CDL) de NRAO. Los edificios son fáciles de pasar por alto, al igual que es fácil pasar por alto el trabajo realizado por CDL. Vemos fotografías de los platos de radio en Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) y Very Large Array (VLA) bajo un cielo estrellado, y las bellas imágenes científicas que producen. Pero entre estos dos extremos hay un complejo conjunto de procesos que transforman las débiles señales de radio del espacio distante en datos científicos utilizables. Lograr esa transformación de manera efectiva es uno de los trabajos más importantes de las CDL.

La radio es luz, similar a la luz visible que vemos a nuestro alrededor, pero con longitudes de onda mucho más largas. La longitud de onda de la luz visible es similar al tamaño de las bacterias microscópicas, mientras que la luz de radio tiene longitudes de onda que varían de milímetros a metros. Las imágenes de radio no pueden capturarse en una película fotográfica ni convertirse en una imagen con una simple cámara digital. En cambio, la señal debe amplificarse, filtrarse y procesarse en múltiples etapas antes de que su información pueda almacenarse en un chip digital.

Ejemplos de cuernos de alimentación y guías de onda. Crédito: NRAO / AUI / NSF.

Sri Srikanth trabaja en una de las primeras etapas: capturar y enfocar señales de radio para que sean fuertes y claras. Esto se hace con bocinas de alimentación y polarizadores. La bocina de alimentación es como un embudo que maximiza la señal de radio. Para ser efectivo, una bocina de alimentación debe ser escalada en relación con la longitud de onda. Cuanto más corta es la longitud de onda, más pequeña debe ser la bocina de alimentación. Las crestas dentro de la bocina de alimentación ayudan a preparar la señal para el polarizador, que divide la señal en partes perpendiculares. Estos componentes están diseñados para llevar la señal a la siguiente etapa con muy poca pérdida.

Antes de que la señal pueda convertirse de radio analógica a digital, debe procesarse previamente. Una gran parte de esta etapa implica amplificación y conversión descendente. Aquí es donde entra Matt Morgan. Diseña los sistemas que hacen que la señal sea utilizable por los procesadores de computadora. Los chips de computadora funcionan a frecuencias de hasta el rango de GHz, pero las frecuencias de radio capturadas por los telescopios pueden ser hasta mil veces más altas. La conversión descendente implica combinar la señal de radio con otra señal de una frecuencia similar. Estas dos señales interfieren para crear una señal de frecuencia mucho más baja. Cuando se hace correctamente, esto crea una señal de radio de frecuencia de GHz que contiene toda la información del original. Una vez hecho esto, se puede convertir en una señal digital.

Un prototipo para un convertidor analógico a digital. Crédito: NRAO / AUI / NSF.

La conversión de analógico a digital es común en nuestro mundo moderno. Lo usamos todo el tiempo para mirar televisión digital o buscar imágenes de gatos en Internet. Las señales de radioastronomía se convierten de manera similar, pero transportan tanta información que necesita un chip de computadora especialmente diseñado para mantenerse al día con el ancho de banda. Omar Ojeda crea estos chips construyendo primero prototipos con piezas estándar. Sus prototipos son del tamaño de una computadora portátil. Una vez que el diseño se optimiza y se prueba, se integra en chips que caben fácilmente en la punta del dedo. Con estos diseños personalizados, los radiotelescopios pueden capturar más datos de radio a menores costos.

Gran parte de esto debe hacerse a temperaturas extremadamente bajas. La luz de radio a menudo es producida por gas frío y polvo en el espacio profundo. Para ver estas señales, sus detectores deben estar aún más fríos. Este es un desafío particular porque los procesadores de computadoras y los sistemas de energía generan calor mientras operan. Joey Lambert es un físico de baja temperatura que trabaja en mezcladores de señal. Estos están hechos de materiales superconductores y requieren bajas temperaturas para funcionar.

Todas estas etapas deben trabajar juntas sin problemas, por lo que CDL se coordina con los astrónomos e ingenieros para abordar las necesidades a medida que surgen. Observatorios como ALMA y VLA están a la vanguardia de la radioastronomía. No solo nos brindan increíbles imágenes de radio, sino que también nos enseñan cómo observar el cielo de radio de manera más efectiva y con más detalle. El Laboratorio Central de Desarrollo trabaja para garantizar que los observatorios NRAO siempre mejoren.

Las antenas de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de noche, bajo las Nubes de Magallanes. Las Antenas de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) sobre la meseta de Chajnantor, en los Andes chilenos. En medio de la imagen pueden verse la Pequeña y la Gran Nube de Magallanes, dos galaxias vecinas de la Vía Láctea, como dos manchas luminosas en el cielo nocturno. Crédito: ESO/C. Malin.

• Publicado en NRAO el 11 de abril del 2020, enlace publicación.