El Experimento Canadiense de Mapeo de Intensidad de Hidrógeno ( CHIME ) es un radiotelescopio interferométrico en el Observatorio Radioastrofísico Dominion en Columbia Británica , Canadá , que consta de cuatro antenas compuestas por reflectores parabólicos cilíndricos de 100 x 20 metros (aproximadamente del tamaño y la forma de los half-pipes de snowboard). ) con 1024 receptores de radio de doble polarización suspendidos sobre un soporte encima de ellos. La antena recibe ondas de radio del hidrógeno en el espacio en frecuencias en el rango de 400 a 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 grupo GPGPU de alto rendimiento con 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 asociación 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 iluminación 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 se compone de la llamada energía oscura , que contrarresta la fuerza de atracción de la gravedad y provoca 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 de 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 cuando la expansión desacelerada pasó a la aceleración.
CHIME realizará otras observaciones además de su principal propósito cosmológico. El estudio diario del cielo realizado por CHIME permitirá el estudio de 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 para calibrar 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 púlsares y otros transitorios de radio; Se desarrolló un instrumento especializado para estos objetivos científicos. El telescopio monitorea 10 púlsares a la vez durante todo el día para detectar variaciones en su cronometraje que podrían indicar el paso de una onda gravitacional . [4] CHIME es capaz de detectar misteriosas ráfagas de radio rápidas extragalácticas (FRB, por sus siglas en inglés) que duran apenas milisegundos y no tienen una explicación astrofísica bien establecida. [1]
El instrumento es un interferómetro híbrido semicilíndrico 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 contribuye significativamente 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 2,5 y 7 mil millones de habitantes. años. De este modo, CHIME mapeará más del 3% del volumen total observable del Universo, sustancialmente más de lo que se ha logrado mediante estudios estructurales a gran escala hasta la fecha, durante una época en la que el Universo prácticamente no se observa. [3] Los mapas de 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 aproximadamente 500. millones de años luz. Esta escala BAO característica ha sido bien medida por experimentos como Planck y por lo tanto puede usarse como una "regla estándar" para determinar el tamaño del Universo en función del tiempo, indicando así la tasa de expansión. [5]
Las mediciones de BAO hasta la fecha 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 utilizar la emisión de radio de hidrógeno en lugar de la luz de las estrellas como trazador de estructura para detectar BAO. . Aunque CHIME no se puede utilizar para la misma ciencia auxiliar en la que destacan 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 compactas para que el telescopio pueda observar el cielo en una amplia gama de escalas angulares. El uso de múltiples semicilindros paralelos proporciona una resolución comparable en 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 a base de teflón en forma de pétalos de trébol [ es necesario aclarar ] están ubicadas a lo largo de la línea focal de cada uno de los reflectores de medio tubo de malla metálica . 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, proporcionando dos salidas analógicas. Con 256 antenas por reflector y un total de cuatro reflectores, el telescopio tiene en total 2.048 salidas analógicas para procesar. [6] La señal de las antenas se amplifica en dos etapas que utilizan tecnología desarrollada por la industria de la telefonía celular. 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 es amplificada por un amplificador de bajo ruido que está ubicado en el mismo lugar. Las salidas de los amplificadores viajan a través de cables coaxiales de 60 metros (200 pies) de largo hasta los procesadores dentro de contenedores blindados llamados motores F. [6]
CHIME funciona como 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 potencia informática considerable. Las señales analógicas se digitalizan a 800 MHz y se procesan utilizando una combinación de placas de circuitos de matrices de puertas programables en campo (FPGA) [8] y unidades de procesamiento de gráficos (GPU) personalizadas . El Pathfinder tiene un correlador completamente funcional fabricado 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 del motor F, las señales analógicas se filtran y amplifican en paso de banda , luego se digitalizan mediante convertidores analógicos a digitales de 8 bits a una velocidad 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 motores F basados en FPGA para organizarlos en contenedores de frecuencia. Luego, los datos se envían a través de cables ópticos al contenedor del motor X ubicado al lado del 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 utilizar GPU en el diseño del motor X es la facilidad de programación. Sin embargo, esto conlleva 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 DRAO. [13] Es una versión a menor escala del instrumento completo, que consta de dos semicilindros de 36 x 20 metros poblados por 128 antenas de doble polarización, y actualmente se utiliza como banco de pruebas para la tecnología CHIME y técnicas de observación. 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 Observatorio Radioastrofísico Dominion (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 firmó el contrato para el procesamiento de chips. [dieciséis]
La construcción de CHIME finalizó en agosto de 2017. El 7 de septiembre de 2017 se celebró una primera ceremonia de iluminación con la ministra federal de Ciencia, Kirsty Duncan, para inaugurar la fase de puesta en servicio. [17] [18] [19]
Las operaciones científicas comenzaron a finales 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 (CHIME/FRB) fue el segundo FRB repetido que se observó, FRB 180814. [22] CHIME/FRB también descubrió el primer FRB que se repite a intervalos regulares: 180916.J0158 +65 tiene una periodicidad de 16,35 días. A una distancia de sólo 500 millones de años luz, es también el FRB más cercano jamás descubierto. [23]
CHIME es tan sensible que se esperaba que eventualmente detectara docenas de FRB por día. [21] El Catálogo 1 de CHIME/FRB 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 el primer FRB en el que se detectaron emisiones distintas de las ondas de radio, el primero que se encontró en la Vía Láctea y el primero que se asoció con un magnetar. [24]
En 2022, se decidió financiar la construcción de tres sitios de estabilizadores para localizar las fuentes de FRB. [25]
