Atualização no ALMA para sondar buracos negros supermassivos

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Equipe de instalação do maser em frente a uma pequena parte das antenas do ALMA. Da esquerda para a direita: Jay Blanchard da Univ. Concepcion; Jack Meadows da NRAO; Neil Nagar da Univ. Concepcion; e Christophe Jacques da NRAO. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), C. Padilla.

Artigo traduzido de Alma Observatory.

Cientistas realizaram na semana passada uma grande atualização para o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) através da instalação de um relógio atômico ultrapreciso na matriz do ALMA Operations Site, lar da supercomputação do observatório . Esta atualização irá, eventualmente, permitir que o ALMA sincronize com uma rede mundial de instalações de radioastronomia conhecidos coletivamente como o Event Horizon Telescope (EHT).

Uma vez montado, o EHT -com ALMA com o maior e mais sensível posicionamento – formará um telescópio do tamanho da Terra com o poder de ampliação necessário para ver os detalhes na borda do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea.
Antes que o ALMA possa emprestar suas capacidades incomparáveis ​​para essa e observações científicas semelhantes, no entanto , ele deve primeiro se transformar em um tipo diferente de instrumento conhecido como uma matriz faseada. Esta nova versão do ALMA permitirá que suas 66 antenas funcionem como uma única antena de rádio de 85 metros de diâmetro. É este poder unificado juntamente com cronometragem ultraprecisa que permitirá a ligação do ALMA com outros observatórios .

Um marco importante neste caminho foi alcançado recentemente, quando a equipe de cientistas realizou o que poderia ser considerado um “transplante de coração” no telescópio pela instalação de um relógio atômico feito sob medida alimentado por maser de hidrogênio. Este novo relógio utiliza um processo semelhante a um laser para amplificar um único tom puro, ciclos que são contados para produzir um “tique-taque” de alta precisão.

A referência de tempo original da ALMA , um relógio com base no gás rubídio, será aposentado e usado como sobressalente após a radiação estar completamente integrada com a eletrônica do ALMA.

Shep Doeleman , o investigador principal do ALMA Phasing Project e diretor assistente do Massachusetts Institute of Technology’s Haystack Observatory, participou durante a instalação do maser via link de vídeo remoto. “Uma vez que a introdução progressiva seja completada, o ALMA irá utilizar o tique-taque ultrapreciso deste novo relógio atômico para se juntar ao Event Horizon Telescope apropriadamente chamado como o local participante mais sensível , aumentando a sensibilidade por um fator de 10″, disse ele .

Expandindo as Fronteiras da Astronomia

Buracos negros supermassivos se escondem no centro de todas as galáxias e contêm milhões ou até bilhões de vezes a massa do nosso sol. Estes gigantes curvadores de espaço são tão grandes que nada, nem mesmo a luz, pode escapar de sua influência gravitacional. Entender como um buraco negro devora matéria, lançam jatos de partículas e energia, e distorce o espaço e o tempo estão levando desafios na astronomia e na física.

O buraco negro no centro da Via Láctea é um gigante com 4.000.000 massas solares localizado a cerca de 26.000 anos-luz da Terra na direção da constelação de Sagitário. Ele está oculto dos telescópios ópticos por nuvens densas de gás e poeira, e é por isso que os observatórios como ALMA, que operam nos prazos mais longos comprimentos de onda milimétricas e submilimétricas, são essenciais para estudar suas propriedades.

Buracos negros supermassivos podem ser relativamente tranquilos ou eles podem incendiar-se e dirigir jatos incrivelmente poderosos de partículas subatômicas no profundo espaço intergalático; quasares observados no Universo primordial são um exemplo extremo. O combustível para estes jatos vem de material em queda, que se torna superaquecido, numa espiral interna. Os astrônomos esperam capturar o buraco negro central da nossa galáxia no processo de alimentação ativo para entender melhor como os buracos negros afetam a evolução do nosso Universo e como elas moldam o desenvolvimento de estrelas e galáxias.

O ALMA Phasing ficará pronto a tempo de observar um acontecimento cósmico altamente antecipado, a colisão de uma gigantesca nuvem de poeira e gás conhecido como G2 com o buraco negro supermassivo central de nossa galáxia. Especula-se que essa colisão pode despertar esse gigante adormecido, a gerando energia extrema e possivelmente alimentando um jato de partículas subatômicas, uma característica altamente incomum em galáxias espirais maduras, como a Via Láctea. A colisão está prevista para começar em 2014 e provavelmente vai continuar por mais de um ano.

Alta resolução de imagem do horizonte de eventos também pode melhorar a nossa compreensão de como o Universo altamente ordenado, como descrito por Einstein, se entrosa com a bagunça caótica do cosmo da mecânica quântica – dois sistemas para descrever o mundo físico que são lamentavelmente incompatíveis com a menor das escalas.

O ALMA Phasing também será um instrumento autônomo extraordinariamente sensível para a detecção de pulsares perto do buraco negro central da nossa galáxia. Outra pesquisa independente terá como alvo moléculas no espaço para determinar se as constantes fundamentais da natureza mudaram ou não com o tempo cósmico.

Ciência sombria

O poder dos buracos negros de dobrar a luz também apresenta uma oportunidade única para observar o chamado “sombra” de um buraco negro. A luz perto do horizonte de eventos de um buraco negro não viaja em linha reta, em vez disso assume trajetórias hiperbólicas estranhas e pode até mesmo atingir uma órbita estável. Alguma desta luz, que começa sua jornada viajando fora de alcance dos observadores na Terra, pode ficar torcida ao redor, deformando de tal forma que é preciso um giro de 180 graus. Isso permitiria aos cientistas estudar o outro lado de um buraco negro e realmente ver sua sombra no espaço. Uma vez que o tamanho e a forma desta sombra dependem da massa e spin do buraco negro, essas observações podem nos dizer muito sobre como o espaço e o tempo são deformado neste ambiente extremo.

Os cálculos indicam uma resolução de 50 micro-segundos de arco (aproximadamente 2.000 vezes mais fina do que o Telescópio Espacial Hubble) é necessária para a imagem do efeito de sombra. Isso é equivalente a ler um calendário em um quarto na distância de Nova York a Los Angeles. Esta imagem de alta resolução surpreendente está ao alcance do ALMA com o Event Horizon Telescope.

Cronograma de Desenvolvimento e Financiamento

O planejamento inicial para o Phased ALMA Array começou em 2008, impulsionado pelo objetivo de captar imagem de um buraco negro e outras ciências anteriormente inatingíveis . Os requisitos necessários para o Phased ALMA Array foram compartilhados desde o início com a equipe de projeto ALMA para que o plano de implementação não afetasse a construção ou operação do ALMA .

O Phased ALMA Array é financiado principalmente pela U.S. National Science Foundation. O financiamento adicional é fornecido por meio de contribuições norte-americanas para o ALMA Development Fund and international e partilha internacional de custos por meio do Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Max Planck Institute for Radio Astronomy, Universidad de Concepcion, Japan Society for the Promotion of Science, e o Toray Science Foundation. O financiamento inicial foi fornecido em 2011. O projeto passou por revisão de projeto preliminar e foi aprovada pelo ALMA Board em 2012. O projeto passou por uma revisão crítica em 2013.

O objetivo atual é testar o primeiro sinal combinado do ALMA Phasing e outro telescópio, em 2014, e se submeter a um comissionamento completo e estar pronto para observações em 2015.

Engenharia e Tecnologia

O ALMA foi projetado para funcionar como um interferômetro – um telescópio composto de muitos elementos individuais. Cada par de antenas cria uma única linha de base. O ALMA pode produzir até 1.291 linhas de base, alguns com até 16 quilômetros de extensão.

O Phased ALMA Array, no entanto, funciona de forma diferente . Os sinais provenientes de todas as antenas são simplesmente adicionados em conjunto. Para fazer isso, eletrônicos especializados e equipamentos de informática estão sendo construídos no Laboratório de Desenvolvimento Central do National Radio Astronomy Observatory, em Charlottesville, Virginia. Estas novas placas de circuito serão instaladas no correlator do ALMA, o supercomputador que alimenta o telescópio e combina os sinais das antenas.

O sinal o Phased ALMA Array, então, será codificado por um relógio atômico dedicado – o novo maser de hidrogênio -, recolhido e analisado pelo Observatório Haystack do MIT – o que permitirá que os dados sejam enviados para um centro de processamento central, onde será combinado com sinais de forma idêntica e cronometrados dos telescópios .

O Observatório Astronômico Nacional do Japão ( NAOJ ) construiu as ligações de fibra óptica para transportar o sinal no local do ALMA . Os gravadores de alta velocidade que irão capturar a torrente de dados que fluem do ALMA Phasing foram desenhados pelo MIT Haystack Observatory . O software para executar o novo sistema de phasing está sendo desenvolvido por várias instituições envolvidas no projeto.

Event Horizon Telescope

O Event Horizon Telescope (EHT) deriva seu poder de ampliação extrema de se conectar à pratos de rádio espaçados em todo o mundo em um telescópio virtual do tamanho da Terra. Esta técnica, chamada Very Long Baseline Interferometry (VLBI) , é o mesmo processo que permite que telescópios como o Very Long Baseline Array do NRAO (VLBA) alcancem tal poder de resolução incrível. A diferença entre as instalações existentes e o VLBI EHT é o âmbito geográfico puro do projeto EHT, sua extensão para os comprimentos de ondas mais curtas de observação, e além da área de coleta sem precedentes ativado pelo ALMA Phasing.

“Ao unir as antenas mais avançadas de detecção de ondas de rádio milimétrica e submilimétrica de todo o mundo , o EHT cria um novo instrumento fundamental com o maior poder de ampliação já alcançado “, disse Doeleman . “Ancorado pelo ALMA , o EHT irá abrir uma nova janela para pesquisar buracos negros e pôr em evidência um dos únicos lugares no universo onde as teorias de Einstein são quebradas : no horizonte de eventos “.

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