Experimento de análisis de intensidad de hidrógeno y en tiempo real

El experimento de análisis en tiempo real e intensidad de hidrógeno ( HIRAX ) es un conjunto interferométrico de 1024 radiotelescopios de 6 metros (20 pies ) de diámetro , que operan entre 400 y 800 MHz , y que se desplegará en el sitio Square Kilometer Array en la región de Karoo , Sudáfrica . El conjunto está diseñado para medir la emisión de la línea de hidrógeno de 21 cm con desplazamiento al rojo en grandes escalas angulares, con el fin de mapear las oscilaciones acústicas de bariones y restringir los modelos de energía oscura y materia oscura . ^{[ 1 ]}

La colaboración HIRAX está integrada por más de una docena de instituciones, principalmente de Sudáfrica, Estados Unidos y Canadá, entre las que se incluyen la Universidad de KwaZulu-Natal , la Universidad Tecnológica de Durban , el Instituto Africano de Ciencias Matemáticas , la Universidad Internacional de Ciencia y Tecnología de Botsuana , la Universidad del Cabo Occidental , la Universidad de Rhodes , la Universidad de Ciudad del Cabo , la Universidad McGill , la Universidad de Toronto , la Universidad de Columbia Británica , el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica , la Universidad de Yale , Caltech , Carnegie Mellon , la Universidad de Wisconsin , la Universidad de Virginia Occidental , la Universidad de Oxford , el Laboratorio de Astropartículas y Cosmología , la Universidad Nelson Mandela , la EPFL , la ETH Zúrich y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA . Está financiada por la Fundación Nacional de Investigación de Sudáfrica y por las instituciones asociadas.

El conjunto de antenas HIRAX recibe su nombre en referencia al damán , un mamífero local, y en paralelo al radiotelescopio vecino meerKAT y su animal homónimo .

La naturaleza de la energía oscura y la materia oscura se encuentran entre los mayores misterios sin resolver de la cosmología moderna. ^{[ 2 ]} Se sabe desde finales de la década de 1920, con el descubrimiento de la ley de Hubble , que el universo se está expandiendo, ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} pero durante la mayor parte del siglo XX se asumió que esta era una expansión desacelerada, tras un Big Bang caliente . Sin embargo, a finales de la década de 1990 se descubrió que la expansión del universo, de hecho, se está acelerando. ^{[ 6 ] [ 7 ]} La energía oscura es la forma de energía hipotética que causa esta aceleración, sin embargo, se sabe poco sobre ella más allá del hecho de que actualmente debe constituir aproximadamente el 70% de la densidad de energía del universo. La materia oscura también juega un papel significativo en el crecimiento de estructuras dentro del universo. Se cree que es una forma de materia que interactúa con la fuerza gravitatoria , pero no con la fuerza electromagnética , y se sabe que constituye aproximadamente el 25 % de la densidad energética del universo, aunque su naturaleza exacta aún no se comprende. El 5 % restante de la densidad energética del universo es la materia bariónica que podemos observar: las estrellas , el gas y el polvo que componen las galaxias y los cúmulos de galaxias .

HIRAX está diseñado para medir los efectos de la energía oscura y la materia oscura en la dinámica del universo durante un largo período de tiempo (~4 mil millones de años) para aprender más sobre su naturaleza. Esto se logra observando la emisión de la línea de 21 cm producida por hidrógeno neutro difuso caliente de cúmulos de galaxias distantes y del medio intracúmulo . ^{[ 1 ]} Este hidrógeno neutro traza las estructuras a gran escala en el universo, y por lo tanto puede usarse para mapear la estructura a gran escala de la Oscilación Acústica Bariónica (BAO) del universo. Las BAO tienen un tamaño comóvil fijo , por lo que actúan como una regla estándar , marcando la expansión del universo a lo largo del tiempo y, por lo tanto, brindando información sobre la energía oscura y la materia oscura. Por ejemplo, si la energía oscura no es una constante cosmológica , como predice la teoría ΛCDM estándar de cosmología, entonces la tasa de aceleración del universo puede no ser constante a lo largo del tiempo.

Debido a la expansión del universo, la  banda de operación de 400-800 MHz del instrumento HIRAX corresponde a la emisión de 21 cm desplazada al rojo de${\displaystyle 0.8<z<2.5}$(7-11 mil millones de años , o cuando el universo tenía entre 2.5 y 6.5 mil millones de años). ^{[ 1 ] [ 8 ]} Este rango abarca el período en el que el modelo cosmológico ΛCDM estándar predice que la energía oscura está comenzando a afectar la dinámica del universo, provocando su transición de una expansión desacelerada a una expansión acelerada.

El conjunto HIRAX explorará la mayor parte del cielo austral para mapear las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), y su amplio campo de visión y gran área de exploración lo convertirán además en una herramienta muy potente para detectar eventos transitorios de radio. En particular, HIRAX será extremadamente eficiente en la detección de ráfagas de radio rápidas (FRB) y púlsares . Las FRB son ráfagas de radio cortas (~1 ms ) brillantes (~1 Jy ), cuyos orígenes son completamente desconocidos. Solo se han detectado aproximadamente 612 hasta 2021, pero el conjunto HIRAX espera detectar decenas de FRB por día. ^{[ 1 ]} Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente , cuya rotación hace que parezcan emitir pulsos de radiofrecuencia a ritmos muy regulares. Las mediciones precisas de los ritmos de sus pulsos podrían usarse para detectar ondas gravitacionales , porque las ondas gravitacionales distorsionarían el tamaño del espacio a través del cual viajan los pulsos y, por lo tanto, sus tiempos de llegada a la Tierra.

El experimento canadiense de mapeo de intensidad de hidrógeno (CHIME) es un experimento hermano de HIRAX. Tiene objetivos científicos similares, pero observa en el hemisferio norte y tiene una sistemática instrumental diferente . El Observatorio Canadiense de Hidrógeno y Detector de Transitorios de Radio (CHORD) es un radiotelescopio de próxima generación, cuya construcción se propuso para comenzar de inmediato. CHORD es un proyecto pancanadiense, diseñado para trabajar con CHIME y aprovechar su éxito. Actuará como un experimento hermano de HIRAX. ^{[ 9 ]} CHORD incorporará las mejores innovaciones de CHIME junto con nueva tecnología canadiense. Pequeños cilindros derivados del diseño de CHIME y que operan de 400 a 800 MHz se desplegarán en sitios remotos con estabilizadores y proporcionarán una localización de transitorios de radio a nivel de miliarcosegundos. Estos se complementarán con conjuntos enfocados de antenas compuestas de 6 m en cada sitio, instrumentadas con novedosos alimentadores de banda ultraancha (UWB), que cubren una banda de radio 5:1 de 300 a 1500 MHz.

El conjunto HIRAX constará de 1024 reflectores parabólicos de 6 metros de diámetro con un campo de visión de 5 a 10°. Los reflectores no serán orientables, sino que permanecerán fijos y explorarán el cielo a medida que la Tierra rota. Cada pocos meses, se reorientarán manualmente para explorar una nueva franja del cielo.

Los platos son extremadamente profundos, con un número f de 0,23, para proteger las alimentaciones de la captación de tierra y la diafonía de los platos vecinos en el conjunto. Las antenas se han optimizado para tener bajas pérdidas y alta reflectividad en la banda de observación de 400–800  MHz del telescopio. Cada plato está acoplado a una única antena dipolo de doble polarización en forma de trébol . La señal se amplifica mediante un par de amplificadores de bajo ruido (LNA) y se transmite a una estructura de cálculo centralizada (el "end de procesamiento") mediante enlaces de fibra óptica . ^{[ 1 ]}

En la parte posterior, la señal se amplifica aún más mediante cadenas de amplificadores analógicos , luego se digitaliza y se correlaciona con las señales de todas las demás antenas para producir una única imagen coherente de toda la matriz. Las operaciones de digitalización y canalización de frecuencia se realizarán mediante placas de matriz de puertas programables en campo (FPGA) personalizadas, y la correlación se ejecutará en un clúster de computación de alto rendimiento basado en una unidad de procesamiento gráfico (GPU) personalizada . ^{[ 1 ]} Esta operación de correlación es extremadamente costosa computacionalmente y es la razón principal por la que no se han desplegado matrices interferométricas tan grandes anteriormente. En operación de matriz completa, HIRAX deberá procesar 6,5 Tb de datos por segundo, lo que es comparable al ancho de banda total de Internet internacional para el continente africano. ^{[ 8 ] [ 10 ]} Este problema es factible gracias a los recientes avances en la computación basada en GPU y al espaciado regular entre los elementos de la matriz, que reduce la dificultad computacional de${\displaystyle O(n^{2})}$a${\displaystyle O(n\log n)}$, donde n es el número de elementos en el arreglo. ^{[ 1 ]}

La colaboración HIRAX desplegó un prototipo de matriz de 8 elementos en el Observatorio de Radioastronomía de Hartebeesthoek (HartRAO) en 2017, que se utiliza como banco de pruebas para el desarrollo de hardware y software previo a la construcción de la matriz completa en el sitio del Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica (SARAO) en Karoo. La construcción de una matriz precursora de 128 elementos está programada para comenzar en 2024. La matriz precursora se ampliará posteriormente a la matriz completa de 1024 elementos durante los siguientes tres años. ^{[ 1 ] [ 11 ]} La matriz de 8 elementos de HartRAO se incorporará a la matriz completa como una matriz "externa", junto con varias otras en todo el sur de África. Estas matrices externas mejorarán drásticamente la resolución angular de la matriz HIRAX, lo que le permitirá localizar detecciones de FRB con precisión de subsegundo de arco. ^{[ 12 ]}

La Universidad de KwaZulu-Natal , el Departamento de Ciencia y Tecnología de Sudáfrica y la Fundación Nacional de Investigación anunciaron el lanzamiento oficial del experimento HIRAX en agosto de 2018. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

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