El telescopio futurista del Polo Sur mira hacia atrás en el tiempo


En el verano en el Polo Sur, que dura de noviembre a febrero, la temperatura promedio es de menos 18 grados F. El sol no se pone durante este tiempo, lo que hace que dormir sea un desafío. El ambiente es duro y seco. Y la conexión a Internet en la estación del Polo Sur Amundsen-Scott, cuando se puede acceder a ella, es terriblemente lenta.

Por otro lado, las distracciones del trabajo son pocas y el paisaje es impresionante. Las comidas de la cocina del lugar son geniales. ¿La mejor parte? Hay una vista incomparable del universo primitivo.

Ver la luz más antigua del universo

Esa vista, que proviene del Telescopio del Polo Sur (SPT) de la estación de investigación, no es lo que muchos de nosotros imaginaríamos cuando miramos hacia el cielo. En lugar de estrellas y planetas, las imágenes del SPT se parecen más a una pintura de Jackson Pollock. Capturan datos relacionados con el origen del universo y su evolución durante miles de millones de años.

Desde que el SPT comenzó a funcionar en 2007, ha ayudado a los investigadores a descubrir más de 1000 cúmulos de galaxias gigantes (incluidos algunos verdaderamente excepcionales) y ha cambiado nuestra comprensión del período en que se formaron las primeras estrellas, entre otras revelaciones. Más de 20 universidades e instalaciones de investigación del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), incluido el Laboratorio Nacional de Argonne, están colaborando en el esfuerzo.

El telescopio de 33 pies utiliza detectores desarrollados y construidos en Argonne para estudiar el fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB consiste en luz producida cuando el universo tenía unos 380.000 años. En aquel entonces, el universo bebé era un plasma intensamente caliente, y el resplandor que producía ha estado viajando por el espacio durante unos 14 000 millones de años.

«Observar el fondo cósmico de microondas, pintar nuestro universo primitivo y conectarlo con las observaciones que vemos hoy, forma uno de los pilares fundamentales clave de nuestro modelo cosmológico», dijo Lindsey Bleem, física de Argonne que recopila y analiza datos de la SPT.

La Antártida es uno de los mejores lugares del mundo para detectar esta débil señal porque es esencialmente un desierto helado y muy seco. El agua en el aire puede crear «ruido» en una vista de los cielos con un telescopio, explicó Bleem, lo que hace que la imagen sea menos clara. El entorno del SPT está lo más libre posible de interferencias en la Tierra.

En su mayor parte, los científicos pueden recopilar y trabajar con los datos del SPT desde Argonne en Illinois o desde cualquier otro lugar que esté configurado para acceder a los datos de forma remota. Pero ocasionalmente, el mantenimiento y las actualizaciones, como una cámara de tercera generación instalada en 2017, requieren viajar a esta instalación en medio de un desierto helado.

Ya sea para lidiar con el frío que castañetea los dientes, esperar a que lleguen los suministros o asegurarse de que el equipo se mantenga y se climatice, la ubicación remota puede ser desalentadora. La falta de humedad por sí sola es «algo que es un poco desafiante y también puede interferir con el funcionamiento diario de las cosas», dijo Clarence Chang, un físico de Argonne que desarrolla detectores superconductores para el SPT.

Una ventaja: durante la temporada de verano del telescopio, los cocineros del personal brindan comidas a los investigadores visitantes y «la comida es absolutamente fantástica», dijo Bleem.

Detectores superconductores supersensibles

La actualización de 2017 a la cámara del SPT pasó de 1600 a 16 000 detectores. Agregados juntos, los detectores se asemejan a un panal que mide aproximadamente 17 pulgadas de ancho. Los detectores se mantienen mucho más fríos que incluso la noche antártica más fría, justo por encima del cero absoluto, o menos 459 F. La temperatura, combinada con la sensibilidad de sus materiales superconductores, les ayuda a registrar la luz muy tenue del CMB.

Los investigadores aprovecharon el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para fabricar los detectores. El equipamiento de la instalación permite controlar los materiales superconductores y procesarlos de manera consistente.

Uno de los objetivos de investigación de las observaciones del CMB es explorar una teoría conocida como inflación cósmica, la idea de que el universo primitivo experimentó una expansión masiva e inimaginablemente rápida. Esa teoría está asociada con predicciones de patrones particulares en el CMB.

“Estas predicciones son extremadamente difíciles de medir. Las señales son muy débiles, lo que requiere construir instrumentos increíblemente sensibles”, dijo Chang.

El SPT comenzó una encuesta de seis años con la nueva cámara en 2018. La matriz de detectores mejorada, combinada con años de observación, es un poco como configurar una exposición prolongada en la última y mejor cámara de teléfono inteligente para capturar una imagen detallada por la noche.

Los detectores del Telescopio del Polo Sur se mantienen extremadamente fríos justo por encima del cero absoluto, o menos 459 F, lo que les ayuda a registrar la luz muy tenue del fondo cósmico de microondas. (Imagen de Clarence Chang/Laboratorio Nacional de Argonne).

“Está avanzando, recopilando los datos para nosotros”, dijo Amy Bender, una física de Argonne que ayudó a instalar la cámara de tercera generación. ​“Observamos el mismo trozo de cielo todos los días, todo el día. Cuanto más lo observemos, mejor podremos detectar señales más débiles”.

Cuando finalice la ejecución del SPT en 2024, los científicos estarán ocupados no solo analizando los datos resultantes, sino también trabajando en nuevas actualizaciones del SPT.

La capacidad de Argonne para producir de manera confiable detectores de telescopios súper sensibles también será fundamental para un nuevo y ambicioso experimento: CMB-S4. En ese experimento, una colaboración de Argonne y decenas de instituciones en todo el mundo, 21 telescopios en el Polo Sur y en el desierto chileno de Atacama inspeccionarán el cielo durante siete años a partir del final de la década. El número de detectores desplegados aumentará a 500.000 y algunos de ellos se fabricarán en Argonne.

Procesando los números extragalácticos

Las simulaciones que se ejecutan en computadoras de alto rendimiento en Argonne Leadership Computing Facility, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, son clave para decodificar las observaciones del SPT. Los científicos usan este poder de cómputo para correlacionar teorías sobre cómo interactúan la materia y las fuerzas en el universo. Un cúmulo de galaxias en la línea de visión del telescopio, por ejemplo, distorsionará la luz de fondo de otras galaxias y del CMB. Ese efecto debe medirse y correlacionarse con las predicciones teóricas.

Una serie de detectores supersensibles ayuda al Telescopio del Polo Sur a detectar la luz más antigua del universo. (Imagen de Clarence Chang/Laboratorio Nacional de Argonne).

Para explicar cómo las simulaciones ayudan a las observaciones, Bleem dio un ejemplo: digamos que tenía una imagen de la Torre Eiffel sin datos sobre la altura de la estructura. Podrías usar la medida conocida de un objeto cercano, como una persona parada en el suelo, para razonar sus dimensiones. De manera similar, las computadoras ayudan a cerrar la brecha entre lo que sabemos y lo que pretendemos descubrir al brindarnos comprensión de estos procesos complicados y al permitirnos evaluar qué tan bien nuestras herramientas de análisis pueden reconstruir modelos de estos fenómenos.

Con el SPT actualizado y el próximo proyecto CMB-S4, los científicos continúan generando más datos de observación. Los recursos informáticos de Argonne siguen el ritmo, señaló J.D. Emberson, científico informático de Argonne.

“Los primeros códigos de cosmología solo simulaban la gravedad”, dijo Emberson. «Pero a medida que obtenemos telescopios mejores y más grandes que pueden recopilar más información en el universo, es importante que tengamos la capacidad de simular algo más que la gravedad».

Emberson trabaja en el código de cosmología acelerada híbrido/hardware (HACC), el marco utilizado para ejecutar simulaciones cosmológicas para el SPT y otros telescopios. Su trabajo, parte del proyecto ExaSky dirigido por Argonne, está preparando HACC para computadoras a exaescala como Aurora, que serán muy adecuadas para manejar simulaciones cosmológicas de escala extrema.

“A medida que los científicos construyen instrumentos de próxima generación, queremos poder impulsar la computación de próxima generación para que coincida con eso”, dijo Emberson.

Tanto la informática como los detectores avanzados que se están desarrollando en Argonne están al servicio de la exploración del cosmos del SPT. Pero también son relevantes para una variedad de otras tecnologías aquí en la Tierra, como la detección de la atención médica y la seguridad.

“Ninguna empresa está fabricando equipos como este hoy en día”, dijo Bender. «Entonces, estamos liderando el frente para impulsar la tecnología. ¿Quién sabe qué puertas podrían abrirse para otras áreas?

El Telescopio del Polo Sur está financiado y respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Física de Alta Energía del DOE, el Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago y el Programa Antártico de EE. UU.

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