Conjunto sinóptico profundo

El Deep Synoptic Array (DSA) es un conjunto de radiotelescopios que contendrá 1650 antenas parabólicas orientables de 6,15 metros (20 pies 2 pulgadas) que observan el rango de frecuencia de 0,7 a 2 GHz, dispersas en un área de 19 por 15 kilómetros (12 millas × 9 millas) . El objetivo principal es realizar un estudio radioeléctrico de todo el cielo visible desde su emplazamiento, para buscar fuentes transitorias . Un objetivo secundario es la cronometría de púlsares, para ayudar en la búsqueda de ondas gravitacionales .      

El proyecto es gestionado por el Instituto Tecnológico de California (Caltech) como parte de su Observatorio de Radio del Valle de Owens , con financiación proporcionada por Schmidt Sciences . Se espera que esté operativo en 2029. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El DSA contendrá 1650 antenas parabólicas orientables de 6,15 metros (20 pies 2 pulgadas) que cubren el rango de frecuencia de 0,7 a 2 GHz, dispersas en un área de 19 por 15 kilómetros (12 millas × 9 millas) . Esto da un área de captación total de aproximadamente 49 000 metros cuadrados, aproximadamente la misma que una antena parabólica de 250 metros, o aproximadamente equivalente al área de captación activa del ahora desaparecido Telescopio de Arecibo . ^{[ 3 ]}      

El DSA incorpora dos avances técnicos principales, ambos relacionados con su arquitectura de un gran número de antenas pequeñas. El primero es que disponer de un gran número de antenas distribuidas aleatoriamente facilita enormemente la conversión de las señales de radio en imágenes. Esta estrategia nunca había sido práctica hasta ahora, ya que las antenas con la sensibilidad suficiente para la radioastronomía requerían históricamente refrigeración a temperaturas muy bajas, lo que hacía que la construcción de una matriz tan grande resultara demasiado costosa para cada antena. Por lo tanto, el segundo avance clave es un receptor que, mediante tecnología de semiconductores moderna, puede alcanzar la sensibilidad necesaria sin refrigeración. ^{[ 4 ]}

Debido al pequeño tamaño de las antenas individuales, el DSA tiene un amplio campo de visión instantáneo de 11 grados cuadrados. ^{[ 5 ]} Este amplio campo de visión es fundamental para su uso en estudios del cielo y es comparable al del Observatorio Vera C. Rubin , que realizará un estudio similar en longitudes de onda ópticas. La resolución está determinada por el tamaño del conjunto de antenas y es de aproximadamente 3 segundos de arco a 1,5 GHz. ^{[ 6 ]}

El DSA se planea construir en Spring Valley , Nevada . ^{[ 7 ]} Esta ubicación se eligió por varias razones. Es lo suficientemente grande para albergar el conjunto (que debe ser de 15 x 19 km para lograr la resolución espacial deseada) y está a gran altitud, lo cual es importante para las condiciones troposféricas. Tiene una densidad de población muy baja y cuenta con un blindaje casi completo contra la interferencia de radiofrecuencia externa (terrestre). ^{[ 8 ]} El suelo es propicio para arar debajo de los cables de fibra óptica necesarios, y el sitio cuenta con infraestructura existente (carreteras y suministro eléctrico), lo que permite una mínima alteración ambiental.

La DSA está siendo gestionada y construida por Caltech.

DSA se propuso en 2019, donde se concibió como un instrumento de radioastronomía de todo el cielo complementario al Very Large Array , y como contraparte de los sondeos de todo el cielo del Observatorio Vera C. Rubin (óptico), SPHEREx (infrarrojo cercano) y SRG/ eROSITA (rayos X). ^{[ 2 ]}

El prototipo DSA, el DSA-10 ^{[ 9 ]} y el DSA-110 ^{[ 10 ] [ 11 ]} fueron esfuerzos previos que demostraron muchas de las tecnologías necesarias. Sin embargo, estos esfuerzos no eran tan generales y realizaban tareas especializadas, como la detección y localización de ráfagas de radio rápidas . ^{[ 12 ]} Si bien el predecesor DSA-110 fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias , el DSA de mayor tamaño está financiado por Schmidt Sciences , la organización filantrópica del multimillonario y ex director ejecutivo de Google, Eric Schmidt. Se espera que esté operativo en 2029.

Imágenes más fáciles

Los conjuntos de radiotelescopios tradicionales se han construido con un número relativamente pequeño de antenas relativamente grandes (el VLA , por ejemplo, tiene 27 antenas parabólicas de 25 metros de diámetro). Un número pequeño de antenas genera un plano uv muestreado de forma dispersa, ^{[ 13 ]} ya que cada par de antenas genera un punto en este plano. Así, un conjunto de 20 elementos especificará unos 200 puntos, un conjunto de 60 elementos unos 1800 puntos, pero el DSA generará unos 2 millones de puntos, como se muestra a la izquierda. Estos recuentos de puntos corresponderán, de forma muy aproximada, a los recuentos de píxeles en una imagen reconstruida de forma ingenua. Esta situación se ilustra en la figura de la izquierda: en la parte superior se muestran los planos uv muestreados asumiendo dos recuentos de antenas de radiotelescopio tradicionales y el DSA. La fila inferior muestra el resultado de la inversión ingenua de las funciones de dispersión de puntos correspondientes, mostrada a modo de ilustración aplicada a una fotografía de naturaleza cotidiana.

De esta figura se desprende claramente que los telescopios con escasa cobertura del plano uv (básicamente todos los radiotelescopios hasta ahora) requieren un considerable procesamiento posterior para generar imágenes útiles. En particular, deben asumirse restricciones no lineales adicionales (como la positividad), lo que complica enormemente los cálculos de síntesis de apertura y los hace dependientes de las suposiciones específicas utilizadas. A su vez, la necesidad de un procesamiento complejo exige enormes requisitos de almacenamiento y transporte de datos, ya que si las imágenes no se calculan en tiempo real, los datos brutos (o las visibilidades, las correlaciones entre pares de antenas) deben guardarse y entregarse al usuario final para su posterior procesamiento. ^{[ 14 ]}

El DSA, en comparación, tendrá un muestreo casi completo del plano uv, como se muestra en la figura superior de la derecha. Un gran número de antenas ubicadas aleatoriamente muestrean una enorme cantidad de líneas base (aproximadamente n ² /2 de ellas), cada una de una longitud y orientación diferentes. Esto da como resultado un muestreo comparativamente denso del plano uv y proporciona una función de dispersión de punto nativa que es suficientemente buena como para que se puedan usar algoritmos mucho menos complejos para crear imágenes, como se muestra en la figura inferior derecha. Este cálculo más simple se puede realizar en tiempo real, actuando como una "cámara de radio". El ahorro de almacenamiento que supone calcular imágenes en tiempo real, y no guardar los datos brutos o las visibilidades, es bastante grande: 20 exabytes de datos de visibilidad/año producirán aproximadamente un petabyte de imágenes por año, ^{[ 15 ]} por lo que se necesita almacenar un factor de 20 000 menos de datos.

Dado que el DSA digitaliza todo el  ancho de banda de 0,7 a 2,0 GHz, el procesamiento en software puede generar simultáneamente imágenes de radio con diferentes resoluciones de frecuencia para distintos propósitos. La resolución espacial de las imágenes es de 3,5 segundos de arco. ^{[ 2 ]} Las salidas en el dominio de la frecuencia de la cámara de radio son: ^{[ 20 ]}

• 10 canales, solo intensidad, que abarcan todo el ancho de banda.
• 605 canales (  resolución de 2,15 MHz) con datos de polarización
• 2048 canales, solo intensidad,  resolución de 1,05 kHz, alrededor de la línea HI del hidrógeno neutro (1420  MHz). Estas imágenes permitirán estudiar el hidrógeno neutro dentro de nuestra galaxia con una resolución Doppler de 0,22  km/s.
• 4096 canales, solo intensidad,  resolución de 8 kHz, nuevamente cerca de la línea HI. Estas imágenes están destinadas al análisis de galaxias "cercanas" (aquellas dentro de 100 megaparsecs ) con una resolución Doppler de 1,8  km/s.
• 5600 canales, de 0,7 a 1,45  GHz (resolución de 135 kHz), que se utilizarán para estudiar la emisión de hidrógeno neutro hasta un corrimiento al rojo Z = 1. Z = 1 es el límite de este telescopio, ya que más allá de ese corrimiento al rojo la frecuencia del hidrógeno neutro cae por debajo del límite de frecuencia inferior del telescopio.

Aunque el objetivo principal de DSA es un estudio del cielo, también llevará a cabo otros proyectos. Son posibles operaciones distintas a la obtención de imágenes de radio (como la cronometría de púlsares y la búsqueda de transitorios), ya que el procesamiento de señales es programable al estar implementado en FPGA y GPU de propósito general . ^{[ 4 ]}

• El 65 % del tiempo de observación se destinará al estudio del cielo. En un estudio inicial de cinco años, el DSA fotografiará todo el cielo visible desde el sitio (aproximadamente 31 000  grados cuadrados de la esfera celeste total de 41 253 grados cuadrados) 16 veces a lo largo de cinco años. Estas imágenes incluirán información tanto de polarización como espectral en el rango de 0,7 a 2  GHz. Se espera que este estudio incremente el número de fuentes de radio conocidas en al menos un factor de 100.
• El 25% del tiempo de observación se utilizará para recopilar datos de sincronización de púlsares , buscando ondas gravitacionales de nanohertz en colaboración con la colaboración NANOGrav .
• El 10% del tiempo de observación se destinará a realizar observaciones diarias de campos seleccionados. Estas observaciones, en particular, coincidirán con las de los campos profundos del Observatorio Vera C. Rubin , que realizará observaciones ópticas simultáneamente, un ejemplo de astronomía multimensajero .

Todos los datos estarán disponibles públicamente sin período de propiedad. ^{[ 21 ]} Los datos públicos del Deep Synoptic Array se alojarán en el Archivo de Ciencia Infrarroja (IRSA) de la NASA/IPAC. ^{[ 22 ]} Esto es algo inusual para un radiotelescopio, pero tiene sentido ya que el DSA produce imágenes, no los productos de datos de radiotelescopios tradicionales. Los fondos existentes de IRSA son principalmente imágenes en otras bandas de proyectos como IRAS , WISE , 2MASS y Planck .

• Red Internacional de Cronometraje de Púlsares
• Matriz muy grande

• Conjunto sinóptico profundo