José Miguel Jáuregui: EDGES, la señal cosmológica a 78 MHz y el “amanecer cósmico”

Dibujo20180304 fm boradcast stations via Jose Miguel Jauregui

La señal cosmológica en el rango entre 50 y 200 MHz asociada al llamado amanecer cósmico “es muy pequeña, pero existen instrumentos de laboratorio con un rango dinámico grande y suficiente resolución para medirla, ¿por qué hasta ahora no se logró detectarla?” Primero, “hay pocos sitios donde poder observar esta señal. Estar cerca de una estación de radio o televisión significa que, con los niveles de amplificación necesarios, se saturan los amplificadores y se sobrepasa el rango de los digitalizadores. Hay que alejarse. Este mapa son todas las estaciones de FM listadas en FMlist.org (una base de datos pública realizada con aportaciones de voluntarios, luego incompleta). Para cada estación se supuso un alcance de 150 km en línea de visión directa (caso ideal para receptores de radio)”.

“Los instrumentos son tan sensibles, que aun si nos vamos a los escasos sitios libres de estaciones de FM, los meteoros y aviones se convierten en reflectores que multiplican el alcance de las señales en dos o tres veces. Los posibles sitios se ven reducidos. Y además, los satélites tienen ‘beacons’ que transmiten cerca de la banda y de esos no hay escape, el tiempo de observación efectivo se reduce”. Hay que “encontrar varios sitios posibles, ir a medir y verificar que efectivamente es un buen sitio, entonces si podemos observar desde la Tierra, comienza el desarrollo del instrumento”.

Nos lo cuenta José Miguel Jáuregui [García], “Explicaciones sobre EDGES y la detección de la señal cosmológica en 78 MHz,” Google Docs, 04 Mar 2018. Joven doctor en astrofísica, parte del equipo de trabajo de SCI-HI y PRIZM, dos experimentos que buscan la señal del amanece cósmico, ahora ya descubierta. Oyente del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, nos aclara lo comentado en el episodio 152, “Amanecer Cósmico; Conjetura de Censura; Agujeros Negros de AGN; Superflares en Proxima b; Planetas Exogalácticos,” 02 Mar 2018, y en este blog en “Posible efecto de la materia oscura sobre la formación de las primeras estrellas”, LCMF, 01 Mar 2018. José Miguel defendió su tesis doctoral “Instrumentación astronómica para el cronometraje de la época de la reionización por medio de la línea de 21 cm (HI),” en marzo de 2016 y ahora está realizando un postdoctorado.

“EDGES ha hecho algo que considero excelente, desde 2005 se han ido publicando los avances y retrocesos en el desarrollo del experimento: EDGES memos.

Green Bank, en Pocahontas County, West Virginia, es una zona libre de estaciones de radio en EE.UU. (National Radio Quiet Zone) donde está instalado el radiotelescopio GBT ( Robert C. Byrd Green Bank Telescope), hasta 2016 parte de NRAO (National Radio Astronomy Observatory), ahora con observatorio propio, GBO (Green Bank Observatory). Tiene 100 metros de diámetro, siendo sensible al rango 0,1–116 GHz, forma parte de la red global de interferómetros (junto al Atacama Large Millimeter Array, Expanded Very Large Array, Very Long Baseline Array, entre otros).

Dibujo20180304 integrated strength fm radio continental usa from radio-locator com EDGES_memos052
https://www.haystack.mit.edu/ast/arrays/Edges/EDGES_memos/052.pdf

Nos comenta Jáuregui que “como se comentó en el programa” Coffee Break: Señal y Ruido, “si tuviéramos una antena con un campo de observación de 5 grados (0,087 radianes) o menor se facilitarían las cosas. Observamos hacia la Vía Láctea, luego fuera del plano y podemos usarla como calibrador. Perfecto… bueno, no tanto, para 78 Mhz (3,8 m)”, hay que usar una parabólica con apertura de (1,22 * 3,8) / 0,087 = 53 metros. Green Bank son 100 metros y está en un sitio protegido en radio, tiene más apertura, está en un sitio protegido, pero tristemente no en FM”.

Dibujo20180304 breen bank wv vs isla guadalupe mexico via Jose Miguel Jauregui

Esta figura en el documento de Jáuregui muestra “una comparación que hicimos de un posible sitio en México con Green Bank”. Claramente se ve que hay sitios mucho mejores. “Durante mucho tiempo se debatió si era posible o no observar desde la Tierra” esta señal. “Conseguir los millones necesarios para construir una antena en un sitio libre de interferencia para buscar esta única señal no era viable”. La única opción era “quedarnos con una antena más pequeña”.

Jáuregui nos cuenta sobre la calibración de la antena y su patrón de radiación lo siguiente. “Como no se conocía dónde estaba la señal, se debe observar una gran región del espectro de forma simultánea. Tenemos que usar una antena pequeña con un patrón de radiación grande. [Las] antenas están diseñadas para trabajar de manera muy eficiente en una banda muy estrecha u operan en un gran ancho de banda con una eficiencia variable. Ese cambio de eficiencia genera subidas y bajadas en la señal buscada. [Por ello,] hay que diseñar una antena de gran ancho de banda y respuesta ultra plana, de lo contrario se corre el riesgo de no compensar adecuadamente y en lugar de observar la señal, observar la respuesta del instrumento. La antena con forma de mesa fue transportada, ensamblada y construida en medio del desierto, conservando siempre una precisión milimétrica”.

“Una vez tenemos una antena calibrada en un buen sitio”, recuerda Jáuregui, “que la señal tiene que pasar por la ionosfera y el patrón entendido y estudiado en laboratorio al salir al campo cambia. Cambia de acuerdo con la actividad solar y tenemos una variable más a considerar al procesar los datos”. En el podcast de Coffee Break: Señal y Ruido, se explica bien el papel de la Vía Láctea, tanto en la calibración como fuente de contaminación en las medidas. Dice Jaúregui que le “pareció muy bien explicado la dificultad en observar una señal tan pequeña desde dentro de la Vía Láctea”.

Un problema adicional a “las estaciones de FM, [son] las de AM. Tienen la desafortunada característica de no escapar a la ionosfera, sino que rebotan y no importa en qué lugar del mundo estemos, podemos recibirlas. No están dentro de la banda que nos interesa, no pasa nada, las quitamos por software ¿o no? No se puede hacer eso de forma efectiva, la amplitud que tienen es muy alta, si dejamos que lleguen a los amplificadores y digitalizadores los saturan y perdemos la señal, necesitamos usar filtros de RF para eliminarla”.

“Estos filtros tienen inductores, capacitores y resistencias; estos tienen dos problemas, el primero que no tienen una respuesta uniforme en frecuencia y crean deformaciones en la señal que se pueden confundir con lo que buscamos; peor aún, estas variaciones cambian con la temperatura. El equipo de EDGES invirtió mucho tiempo en entender y calibrar adecuadamente el equipo y en crear una cámara isotérmica para minimizar las variaciones de temperatura, en medio del desierto y compensar los cambios de temperatura de día y noche”.

Jáuregui nos aclara que “todo lo anterior para lograr tener observaciones aceptables, falta aún el trabajo de verdaderos genios en informática capaces de separar el ruido de la señal, cuidando de no eliminar la señal”. Finaliza recordando que si “la Tierra es un sitio terrible por interferencia, ionosfera, temperatura, … ¿por qué no vamos al espacio? DARE liderado por Jack Burns apunta a esto, pero quiere ir a la cara oculta de la Luna, ¿porque tan lejos? Salir al espacio no significa que nos libramos de la radio interferencia, significa que estamos más alto, donde nos llegan todas lasseñales de una mayor área”.

¿Cuál es el futuro de EDGES? “El muy merecido reconocimiento por muchos años de trabajo duro, esfuerzo y tenacidad que les permitieron superar todos los retos anteriores. [Debería permitirles recabar] los fondos necesarios para poder construir un interferómetro que les permita tener mejor resolución y confirmar las observaciones”.

La ciencia siempre está viva. Y todos los avances siempre son un paso hacia futuros avances. Habrá que estar al tanto de los futuros resultados de EDGES, SCI-HI y PRIZM, entre otros, así como de las publicaciones de Jáuregui en este área.


7 Comentarios

Participa Suscríbete

AlbertAlbert

Muchas gracias Francis por tan interesante post. Me parece notable resaltar que JM Jáuregui, todo un experto de un experimento rival, parece no albergar la menor duda de que la observación de EDGES es real y parece que no contempla que pueda ser un “artefacto” debido al ruido y al reducido tamaño de la antena de Australia.
Esperaremos a confirmaciones posteriores, que esperemos que restrinjan con mayor precisión tanto la anchura como la profundidad del “pozo” a z=17
Gracias y saludos.

U-95U-95

Buscando informacion sobre esa señal resulta que muestra que el Universo estaba mas frio de lo que se pensaba (mas o menos a la temperatura actual del CMB) por entonces, puede que debido a la materia oscura.

Apasionante, esperemos que no sea un falso positivo.

U-95U-95

Muy interesante, gracias. Si acaba siendo real a ver si permite deducir propiedades de la materia oscura para ayudar a su busqueda.

Gustavo ParedesGustavo Paredes

Muy muy interesante.
Veo que la Patagonia Argentina parece tener muchos sitios libres de señales, pero el intenso y constante viento tal vez lo descarta.

Saludos

Gustavo Paredes

Andres GuzmanAndres Guzman

Que notable: espero logren confirmar los resultados. Alguna vez trabajé con datos sub-100MHz y puedo atestiguar de las dificultades que tuvieron quienes los tomaron para observar a éstas frecuencias. Como muestra, la calidad de los datos tenía efectos sistemáticos asociados al ciclo dia-noche, al ciclo estacional, y al ¡ciclo solar!. Muy largo y difícil de calibrar.

Rafael

Como siempre un magnífico artículo.
Pero voy a plantear una duda respecto a un hecho que no tengo claro, probablemente por mi ignorancia de tantas cosas.
La línea que se buscaba es la de 21 cm que es originada por la ionización del hidrógeno atómico.
Esa línea de 21 cm debido a la expansión del universo se espera observar en los 78 MHz.
Entiendo que un espectro pueda ser identificado dado que son varias líneas y el estiramiento del espectro puede observarse por cómo se han separado las líneas.
Pero una línea solo no entiendo cómo se puede identificar que proviene de una frecuencia original (en el momento en que se generó) o de otra a otro z distinto.
Quiero entender que realmente la línea de 21 son un conjunto de líneas muy próximas con un patrón característico.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>