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ngVLA: el instrumento de tus sueños

Título: The ngVLA Reference Design (arXiv:1810.08197) & The ngVLA Science Case and Associated Science Requirements(1810.07524)
Autores: Robert Selina et al. (arXiv:1810.08197) & Eric J. Murphy et al. (arXiv:1810.07524)
Institución del primer autor: National Radio Astronomy Observatory, Socorro, NM, USA & NRAO, Charlottesville, VA, 22903, USA;
Estatus: A ser publicado en la Serie de Monografías de la ASP “Ciencia con la Nueva Generación del VLA”

Un gran proyecto astronómico está en puerta, ¡y el arXive lo sabe! En este mes (octubre del 2018) han salido un montón de artículos sobre el nuevo proyecto ngVLA, es decir, la nueva generación del “Karl G. Jansky Very Large Array“, comúnmente conocido como VLA. Pero antes de entrar en los detalles de esta nueva generación, recordemos la importancia del VLA.

Figura 1. Arreglo de las 28 antenas que forman el VLA (Izquierda) e ilustración de cómo se verá parte del campo cubierto por las 263 antenas del ngVLA. Crédito: NRAO/AUI y NRAO/ngVLA

VLA: más que un arreglo de antenas, una red científica mundial

El VLA (Figura 1, Izquierda) es el arreglo de radiotelescopios más versátil y mundialmente utilizado. No sólo es capaz de construir mapas de nubes moleculares gigantes y revelar eyecciones supersónicas en agujeros negros supermasivos, a lo largo de su vida funcional ha participado en más de 11,000 proyectos observacionales en los que han colaborado más de 3,000 investigadores de todo el mundo. Y en el apoyo a los científicos en formación no se queda corto, ya que más de 200 estudiantes han realizado (y defendido exitosamente) sus tesis doctorales en investigaciones que utilizan datos del VLA. Y por si esto fuera poco, también se ha desempeñado como estrella de Hollywood con un papel protagónico en la cinta de ciencia ficción Contacto (1997).

La promesa de la nueva generación

Figura 2. Diseño de las antenas de de 18 m y 6 metros, así como de los dos crióstatos que contendrán a los alimentadores de las 6 bandas espectrales a observarse con el ngVLA. Crédito: Figuras 5 y 6 del artículo original (arXiv:1810.08197).

El ngVLA (por sus siglas en Inglés) es el proyecto para crear un nuevo observatorio astronómico, que será el legado científico y tecnológico del VLA. Se espera que el ngVLA tenga 10 veces más sensibilidad y resolución espacial que el actual VLA y ALMA. Cubrirá casi por completo la ventana espectral entre 1.2 y 116 GHZ (de 25 a 0.26 centímetros), y las distancias entre las antenas más alejadas cubrirán prácticamente todo Estados Unidos de América. Operará como un instrumento conducido por propuestas, y los productos de las observaciones serán entregados a los usuarios del ngVLA listos para usarse (así los astrónomos no tendremos que quebrarse la cabeza con el procedimiento de pre-procesado de los datos). El diseño del nuevo observatorio cuenta con 244 antenas “grandes” de 18 metros de diámetro y 19 “pequeñas” de 6 metros (Figura 2), que funcionarán como una sola antena utilizando el método de interferometría.

La cobertura espectral se dividirá en seis bandas con frecuencias centrales en 2, 6.6, 15.9, 26.4, 39.2 y 90.1 GHz, con anchos de banda que van desde 2.3 GHz para la banda 1 (centrada a 2 GHz) hasta 46 GHZ para la Banda 6 (centrada a 90.1 GHz). Las señales de banda espectral son observadas por una cornetas receptoras  colocadas en el foco de la antena (Figura 2), que están dentro de dos crióstatos1 (ver recuadro rojo de en la Figura 2). La corneta que recibe las frecuencias de la Banda 1 está contenida en un sólo crióstato, mientras que el segundo contiene las cornetas receptoras de la Banda 2 a la Banda 6.

El ngVLA se construirá muy cerca del VLA, tanto por la excelentes características atmosféricas del sitio como para aprovechar la infraestructura del sitio que se desarrolló para el VLA. El amplio número de antenas permite la realización de diferentes configuraciones para atacar las distintas necesidades de los múltiples casos científicos a investigar. Los tamaños de las antenas brindan un compromiso ideal entre la optimización de operaciones (pocas antenas grandes) y la velocidad para construir imágenes o mapas grandes del cielo (muchas antenas pequeñas). La distribución de las antenas (Figura 3) ha sido estudiada muy en detalle para obtener la resolución espacial y sensibilidad requeridas, estableciéndose tres configuraciones diferentes:

Arreglo principal: 214 antenas grandes operando por interferometría y distribuidas a escalas de decenas de metros o hasta 1000 km de distancia. La forma en que estarán dispuestas las antenas será la de un núcleo denso del que salen brazos espirales.

SBA (Línea de Base Corta): 19 antenas pequeñas + 4 antenas grandes. Esta configuración será capaz de observar escalas angulares más altas que no pueden ser alcanzadas por el Arreglo principal.

LBA (Línea de Base Larga): Es el arreglo principal añadiéndole 30 antenas adicionales distribuidas en 10 grupos. Esta configuración proporcionará líneas de base a escalas continentales.

Figura 3. Distribución de las 263 antenas que conformarán el gVLA. La imagen completa presenta la configuración de LBA con los 10 grupos de antenas adicionales. Dentro de la imagen se muestran acercamientos a el Arreglo principal y al SBA en color verde. Crédito: Figura 4 del artículo original (arXiv:1810.08197)

Las 5 metas científicas del ngVLA

Las 5 metas científicas clave del ngVLA engloban más de 80 casos científicos recolectados por el NRAO y que representan varios de los problemas fundamentales de la astrofísica actual que requieren capacidades de observación en longitudes de onda de centímetros y milímetros, que no tienen los telescopios actuales.

1) Revelar la formación de análogos al Sistema Solar. El ngVLA permitirá tomar imágenes de la formación de súper Tierras y planetas gigantes a lo largo del disco de polvo, particularmente a 10 unidades astronómicas (au) de la estrella central. De hecho, podrá revelar la presencia de planetas en órbitas tan pequeñas como hasta 0.5 au en estrellas a distancias de hasta 140 parsecs. (Si quieres conocer más sobre la formación de planetas te recomiendo que mires los astrobitos “La barrera de guijarros y la formación de planetas” y “Formando planetesimales en un vórtice de polvo y gas“).

Figura 4. Observaciones simuladas del ngVLA de la brillante emisión de continuo de un disco protoplanetario que es perturbado por un planeta. El tránsito del planeta escarbará un camino libre de gas a lo largo de su órbita, que en las imágenes se verá reflejado como un anillo obscuro sobre el disco. (Izquierda) Planeta con la masa de Júpiter a 5 au de la estrella central (objeto obscurecido). (Medio) Planeta con 10 veces la masa de la Tierra a 5 au de la estrella. (Derecha) Planeta con 30 veces la masa de la Tierra a 2.5 au de la estrella.
El círculo blanco a la izquierda representa el haz del telescopio. Crédito: Figura 1 del artículo original (arXiv:1810.07524).

2) Demostrar las condiciones iniciales para sistemas planetarios y vida con astroquímica. ¡Sinergia entre astrónomos, químicos y biólogos! Con el ngVLA se podrán detectar especies de moléculas prebióticas, que han sido predichas pero jamás observadas. Las moléculas prebióticas son aquellas a partir de las cuales se construyen las moléculas más complejas, y por ende la vida. Así, la observación y estudio de las moléculas prebióticas complejas es vital para entender la evolución química de los amino ácidos y otras moléculas presentes en los seres vivos. Además, estas detecciones permitirán conocer las condiciones iniciales de los planetas y su sistema estelar. (Si quieres saber más te recomiendo que leas el astrobito “Bioquímica en el espacio“)

Figura 5. Simulación conservadora de 30 moléculas complejas interestelares que todavía no han podido ser detectadas (negro) y que muy posiblemente serán observadas por el ngVLA. Las moléculas clave que se busca detectar se presentan en color. Crédito: Figura 2 del artículo original (arXiv:1810.07524).

3) Caracterizar el montaje, estructura y evolución de galaxias desde los primeros miles de millones de años del Universo hasta el presente. Se podrá estudiar de la cinemática del CO de galaxias lejanas y realizar búsquedas ciegas de miles de galaxias a en épocas más tempranas del Universo (Figura 6). Y por otro lado, el ngVLA será capaz de ilustrar de forma detallada cómo las galaxias accretan, procesan y expulsan gas a través de sus depósitos atómicos y/o moleculares y en las regiones a su alrededor.

Figura 6. Simulación basada en cómo se observaría a la galaxia espiral M52 si tuviera: (Izquierda) 1.4 veces su masa y se encontrara a un corrimiento al rojo z=0.5, (Centro y Derecha) 3.5 veces su masa y estuviera a un corrimiento al rojo (z=2). El círculo blanco en la esquina inferior izquierda de las imágenes representa el haz del telescopio. Crédito: Figura 3 del artículo original (arXiv:1810.07524).

4) Utilizar pulsares en el centro de nuestra galaxia para realizar pruebas sobre gravedad. Se espera que el ngVLA sea capaz de contribuir cuantiosamente en a detección de los cientos de pulsares que aun faltan por detectarse (pero se espera que existan), y con éstas observaciones se podrán analizar preguntas fundamentales sobre relatividad y evolución estelar.

5) Comprender la formación y evolución de agujeros negros estelares y supermasivos en la era de la astronomía multi-mensajeroLa altísima resolución espacial y sensibilidad del ngVLA permitirá hacer censos de remanentes de estrellas masivas hasta agujeros negros supermasivos en los centro de las galaxias, convirtiéndolo en una máquina para detectar agujeros negros. Las características ya mencionadas del ngVLA, junto con su rapidez de mapeo lo hacen propicio para identificar las radio-contrapartes de las fuentes transitorias descubiertas por observatorios de ondas gravitacionales, neutrinos y ópticos, y así colaborar en la detección de eventos multi-mensajero.

ngVLA, poderoso y flexible para revolucionar la radioastronomía

En conclusión, el ngVLA está siendo diseñado como un instrumento con las capacidades y flexibilidad necesarias para realizar descubrimientos clave para el avance de prácticamente todas las áreas de la astronomía. Y además, será un instrumento que ayude a estrechar lazos entre astrónomos, químicos y biólogos gracias a sus esperados aportes en astroquímica y astrobiología. De tal forma que, además de ser el legado del VLA, se busca convertirlo en un instrumento que revolucionará nuestro entendimiento del Universo.

Si quieres conocer más de otros impresionantes telescopios te recomiendo que leas: Mirando más allá del Telescopio Espacial James Webb,  Un ojo de 30 metros, el futuro de la astronomía óptica/infrarrojaEl origen de los neutrinos de IceCube: el misterio continua


1 Los crióstatos son refrigeradores de muy alta precisión.  Estos son comunmente utilizados para enfriar los detectores de longitudes de onda milimétricas y submilimétricas para su buen funcionamiento.

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