El Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), en los Andes chilenos, es uno de los radiotelescopios más potentes del mundo. Los investigadores lo utilizan para estudiar las regiones oscuras y distantes del universo y comprender mejor cómo se forman las estrellas, los planetas, las galaxias y la vida misma.
Para ello, ALMA mide la radiación milimétrica y submilimétrica emitida, por ejemplo, por nubes moleculares frías. Las nubes moleculares son nubes de gas interestelar con una temperatura de tan solo unas pocas decenas de Kelvin, en las que se forman las estrellas cuando la densidad y la temperatura son adecuadas.
ALMA cuenta con un total de 66 antenas parabólicas individuales con diámetros de 12 o 7 m, cada una equipada con receptores de alta frecuencia para diez rangos de longitud de onda («bandas de ALMA») entre 6 y 8,6 mm (35-50 GHz) y entre 0,3 y 0,4 mm (787-950 GHz) en el espectro electromagnético. Para la Banda 2, que abarca longitudes de onda de 2,6 a 4,5 mm (67–116 GHz), el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF) y el Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) han proporcionado 145 amplificadores de bajo ruido (LNA). Esto significa que, por primera vez, todas las bandas de ALMA están completamente equipadas.
Con la Banda 2 de ALMA, los investigadores esperan comprender mejor el llamado medio interestelar frío: una mezcla de polvo, gas, radiación y campos magnéticos a partir del cual se forman las estrellas. Las moléculas orgánicas complejas de las galaxias cercanas, consideradas precursoras de los componentes biológicos básicos, así como los discos de formación planetaria, también se estudiarán con mayor detalle gracias a las capacidades de medición mejoradas.
Una temperatura de ruido promedio única de 22 K permite mediciones de alta sensibilidad en la banda 2 de los telescopios ALMA.
«El rendimiento de los receptores depende en gran medida del rendimiento de los primeros amplificadores de alta frecuencia instalados en ellos», explica el Dr. Fabian Thome, director del subproyecto en el Fraunhofer IAF. «Nuestra tecnología se caracteriza por una temperatura de ruido promedio de 22 K, inigualable a nivel mundial».
Con los nuevos LNA, las señales pueden amplificarse más de 300 veces en la primera etapa. «Esto permite a los receptores de ALMA medir la radiación milimétrica y submilimétrica de las profundidades del universo con mucha mayor precisión y obtener datos de mayor calidad. Estamos sumamente orgullosos de que nuestra tecnología LNA nos ayude a comprender mejor el origen de las estrellas y galaxias enteras».
Receptor de alta frecuencia ALMA Banda 2
«Este es un magnífico reconocimiento a nuestra fantástica colaboración con el Fraunhofer IAF, que demuestra que nuestros amplificadores no solo son ‘hechos en Alemania’, sino también los mejores del mundo», afirma el Prof. Dr. Michael Kramer, director ejecutivo del MPIfR.
Desarrollo, producción y calificación de LNA mHEMT de InGaAs para ALMA
Los LNA para la Banda 2 de ALMA se basan en circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC) basados en transistores metamórficos de alta movilidad electrónica (mHEMT), desarrollados por Fraunhofer IAF con arseniuro de indio y galio (InGaAs), un material semiconductor compuesto.
Esta tecnología permite desarrollar LNA con temperaturas de ruido particularmente bajas, lo que aumenta significativamente la sensibilidad de los receptores. Como su nombre indica, los amplificadores de bajo ruido mejoran la calidad de las señales entrantes al amplificarlas y minimizar el ruido de fondo disruptivo.
Fraunhofer IAF y MPIfR fueron comisionados conjuntamente por el Observatorio Europeo Austral (ESO), que opera ALMA en cooperación con otras instituciones internacionales. Fraunhofer IAF fue responsable del diseño específico de los MMIC, su fabricación, sus pruebas a temperatura ambiente y la selección de los chips. El MPIfR se encargó del complejo ensamblaje y la calificación de los módulos, incluyendo mediciones criogénicas de prueba a 15 K para su uso en los receptores de Banda 2 de ALMA, que cumplen con las especificaciones de ESO.
Ubicación y funcionamiento de ALMA
Para realizar mediciones con la mayor precisión posible, ALMA se construyó en el llano de Chajnantor, en los Andes chilenos. En el desierto de Atacama, a una altitud de 5000 m sobre el nivel del mar, las condiciones para las mediciones radioastronómicas son únicas en el mundo. La gran altitud y la ubicación seca garantizan que la radiación milimétrica y submilimétrica procedente de regiones distantes del universo se atenúe significativamente menos que en otros lugares, ya que debe penetrar menos vapor de agua atmosférico.
Con información de Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF
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