El Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment ( CHIME ) es un radiotelescopio interferométrico en el Dominion Radio Astrophysical Observatory en Columbia Británica , Canadá , que consta de cuatro antenas que constan de reflectores parabólicos cilíndricos de 100 x 20 metros (aproximadamente del tamaño y la forma de halfpipes de snowboard ) con 1024 receptores de radio de polarización dual suspendidos en un soporte sobre ellos. La antena recibe ondas de radio del hidrógeno en el espacio a frecuencias en el rango de 400-800 MHz . Los amplificadores de bajo ruido del telescopio están construidos con componentes adaptados de la industria de la telefonía móvil y sus datos se procesan utilizando un sistema electrónico FPGA personalizado y un clúster GPGPU de alto rendimiento de 1000 procesadores . [1] El telescopio no tiene partes móviles y observa la mitad del cielo cada día mientras la Tierra gira.
También ha resultado ser un gran instrumento para observar ráfagas de radio rápidas (FRB).
CHIME es una colaboración entre la Universidad de Columbia Británica , la Universidad McGill , la Universidad de Toronto y el Observatorio Radioastrofísico Dominion del Consejo Nacional de Investigación de Canadá . El 7 de septiembre de 2017 se celebró una ceremonia de primera luz para inaugurar la fase de puesta en servicio.
Uno de los mayores enigmas de la cosmología contemporánea es por qué se está acelerando la expansión del Universo . [2] Alrededor del setenta por ciento del Universo actual consiste en la llamada energía oscura , que contrarresta la fuerza de atracción de la gravedad y causa esta aceleración. Se sabe muy poco sobre qué es la energía oscura. CHIME está en proceso de realizar mediciones precisas de la aceleración del Universo para mejorar el conocimiento de cómo se comporta la energía oscura. El experimento está diseñado para observar el período en la historia del Universo durante el cual el modelo estándar ΛCDM predice que la energía oscura comenzó a dominar la densidad de energía del Universo y cuándo la expansión desacelerada pasó a la aceleración.
CHIME realizará otras observaciones además de su propósito principal, el cosmológico. El sondeo diario del cielo por parte de CHIME permitirá estudiar nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, en frecuencias de radio y se espera que mejore la comprensión de los campos magnéticos galácticos . [3]
CHIME también ayudará a otros experimentos a calibrar las mediciones de ondas de radio de estrellas de neutrones que giran rápidamente , que los investigadores esperan utilizar para detectar ondas gravitacionales . [1]
CHIME se utiliza para descubrir y monitorear pulsares y otros transitorios de radio; se desarrolló un instrumento especializado para estos objetivos científicos. El telescopio monitorea 10 pulsares a la vez durante todo el día para observar variaciones en su cronometraje que podrían indicar el paso de una onda gravitacional . [4] CHIME es capaz de detectar las misteriosas ráfagas rápidas de radio (FRB) extragalácticas que duran solo milisegundos y no tienen una explicación astrofísica bien establecida. [1]
El instrumento es un interferómetro semicilíndrico híbrido diseñado para medir el espectro de potencia del hidrógeno neutro a gran escala en el rango de corrimiento al rojo de 0,8 a 2,5. El espectro de potencia se utilizará para medir la escala de oscilación acústica bariónica (BAO) en este rango de corrimiento al rojo donde la energía oscura se convierte en un contribuyente significativo a la evolución del Universo. [3]
CHIME es sensible a las ondas de radio de 21 cm emitidas por nubes de hidrógeno neutro en galaxias distantes, y es sensible a las ondas desplazadas al rojo. Al medir la distribución del hidrógeno en el Universo (una técnica conocida como mapeo de intensidad ), CHIME creará un mapa 3D de la estructura a gran escala del Universo entre desplazamientos al rojo de 0,8 y 2,5, cuando el Universo tenía entre 2.500 y 7.000 millones de años. CHIME mapeará así más del 3% del volumen total observable del Universo, sustancialmente más de lo que se ha logrado hasta la fecha con estudios de estructura a gran escala, durante una época en la que el Universo está en gran parte sin observar. [3] Los mapas de la estructura a gran escala se pueden utilizar para medir la historia de expansión del Universo porque las ondas sonoras en el Universo temprano, u oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), han dejado ligeras sobredensidades en la distribución de la materia en escalas de unos 500 millones de años luz. Esta escala BAO característica ha sido bien medida por experimentos como Planck y por lo tanto puede utilizarse como una "regla estándar" para determinar el tamaño del Universo en función del tiempo, indicando así la tasa de expansión. [5]
Hasta la fecha, las mediciones de BAO se han realizado observando la distribución de galaxias en el cielo. Si bien experimentos futuros, como The Dark Energy Survey , Euclid y el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), seguirán utilizando esta técnica, CHIME es pionero en el uso de la emisión de radio del hidrógeno en lugar de la luz de las estrellas como trazador de la estructura para detectar BAO. Aunque CHIME no se puede utilizar para la misma ciencia auxiliar en la que sobresalen los estudios de galaxias, para la medición de BAO CHIME representa una alternativa muy rentable, ya que no es necesario observar galaxias individuales.
La elección de utilizar unos pocos reflectores alargados en lugar de muchos platos circulares es inusual, pero no original de CHIME: otros ejemplos de telescopios semicilíndricos son el Telescopio de Síntesis del Observatorio Molonglo en Australia y el Radiotelescopio Northern Cross en Italia. Este diseño fue elegido para CHIME como una forma rentable de disponer antenas de radio muy juntas de modo que el telescopio pueda observar el cielo en una amplia gama de escalas angulares. El uso de múltiples semicilindros paralelos proporciona una resolución comparable a lo largo de ambos ejes del telescopio.
Las antenas están diseñadas a medida para que CHIME tenga una buena respuesta en el rango de 400 a 800 MHz en dos polarizaciones lineales. Las antenas de placa de circuito impreso basadas en teflón en forma de pétalos de trébol [ aclaración necesaria ] están ubicadas a lo largo de la línea focal de cada uno de los reflectores de medio tubo de malla de alambre . Hay baluns que combinan señales diferenciales de dos pétalos de trébol adyacentes en una señal de un solo extremo . Hay cuatro pétalos en cada antena, lo que proporciona dos salidas analógicas. Con 256 antenas por reflector y el total de cuatro reflectores, el telescopio tiene las 2.048 salidas analógicas combinadas para procesar. [6] La señal de las antenas se amplifica en dos etapas que utilizan tecnología desarrollada por la industria de la telefonía móvil. Esto permite a CHIME mantener la cadena analógica con un ruido relativamente bajo y, al mismo tiempo, ser asequible. [7] Cada salida de radiofrecuencia de las antenas se amplifica mediante un amplificador de bajo ruido que se encuentra en el mismo lugar. Las salidas de los amplificadores viajan a través de cables coaxiales de 60 metros (200 pies) de longitud hasta los procesadores dentro de contenedores blindados llamados motores F. [6]
CHIME funciona como un correlador, lo que significa que las entradas de todas las antenas se combinan para que todo el sistema funcione como un solo sistema. Esto requiere una considerable potencia de cálculo. Las señales analógicas se digitalizan a 800 MHz y se procesan utilizando una combinación de placas de circuitos de matriz de puertas programables en campo (FPGA) [8] y unidades de procesamiento gráfico (GPU) hechas a medida. El Pathfinder tiene un correlador completamente funcional hecho con estas unidades, y ha demostrado que la tecnología GPU de consumo proporciona suficiente potencia de procesamiento para CHIME a una fracción del precio de otros correladores de radio. [3] [9] [10] [11] Hay dos contenedores de motor F ubicados entre dos reflectores adyacentes. Dentro de los contenedores de motor F, las señales analógicas se filtran y amplifican por paso de banda , y luego se digitalizan mediante convertidores analógico-digitales de 8 bits a una frecuencia de muestreo operativa de 800 millones de muestras por segundo. El resultado es la velocidad de datos digitales del telescopio de 13,11 terabits por segundo. Los datos digitales son procesados por los motores F basados en FPGA para organizarlos en contenedores de frecuencia. Luego, los datos se envían a través de cables ópticos al contenedor X-engine ubicado junto al telescopio. X-engine, que tiene 256 nodos de procesamiento con GPU, realiza la correlación y el promedio de los datos del motor F. Una ventaja de usar GPU en el diseño de X-engine es la facilidad de programación. Sin embargo, eso viene con el costo de un mayor consumo de energía en comparación con una solución FPGA. El telescopio consume 250 kilovatios de energía. [6]
En 2013 se construyó el telescopio CHIME Pathfinder, también en el DRAO. [13] Se trata de una versión a menor escala del instrumento completo, que consta de dos semicilindros de 36 x 20 metros poblados por 128 antenas de polarización dual, y actualmente se utiliza como banco de pruebas para la tecnología y las técnicas de observación de CHIME. Además, el Pathfinder también será capaz de realizar una medición inicial de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) con la técnica de mapeo de intensidad y se convertirá en un telescopio útil por derecho propio.
La construcción de CHIME comenzó en 2015 en el Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO) cerca de Penticton , Columbia Británica , Canadá . En noviembre de 2015, se informó que CHIME estaba "casi operativo", lo que requería la instalación de receptores [14] y la construcción de la supercomputadora [15] . En marzo de 2016 se adjudicó el contrato para los chips de procesamiento [16] .
La construcción de CHIME finalizó en agosto de 2017. El 7 de septiembre de 2017 se celebró una ceremonia de primera luz con la ministra federal de Ciencia, Kirsty Duncan, para inaugurar la fase de puesta en servicio. [17] [18] [19]
Las operaciones científicas comenzaron a fines de septiembre de 2018, [20] y comenzaron a detectar varios eventos durante su primera semana. [21]
Uno de los primeros descubrimientos del proyecto CHIME/Fast Radio Burst Project (CHIME/FRB) fue la segunda FRB repetitiva observada, la FRB 180814. [22] CHIME/FRB también descubrió la primera FRB que se repite a intervalos regulares: 180916.J0158+65 tiene una periodicidad de 16,35 días. A una distancia de solo 500 millones de años luz, es también la FRB más cercana jamás descubierta. [23]
CHIME es tan sensible que se esperaba que eventualmente detectara docenas de FRB por día. [21] El Catálogo CHIME/FRB 1 informó 536 FRB para el año julio de 2018 - 2019.
Un hito clave fue la detección de FRB 200428 el 28 de abril de 2020, que fue la primera FRB para la que se detectaron emisiones distintas de las ondas de radio, la primera que se encontró en la Vía Láctea y la primera en asociarse con un magnetar. [24]
En 2022, se decidió financiar la construcción de tres sitios de soporte para localizar las fuentes de FRB. [25]
