Новый подход к анализу может помочь повысить чувствительность больших телескопов

Некоторые из самых больших и сложных когда-либо созданных телескопов строятся в обсерватории Саймонса на севере Чили. Они предназначены для измерения космического микроволнового фона — электромагнитного излучения, оставшегося после образования Вселенной, — с беспрецедентной чувствительностью. В новом исследовании исследователи подробно описывают метод анализа, который может улучшить эти телескопы, оценивая их производительность перед установкой.

«Мы разработали способ использования радиоголографии для характеристики полностью интегрированного криогенного телескопа до его развертывания», — сказала член исследовательской группы Грейс Чесмор из Чикагского университета. «В лаборатории намного проще выявлять проблемы до того, как они станут проблематичными, и манипулировать компонентами внутри телескопа для оптимизации производительности».

Хотя обычно приходится ждать после установки, чтобы охарактеризовать оптические характеристики телескопа, трудно вносить коррективы, когда все на месте. Однако полный анализ, как правило, не может быть выполнен до установки, поскольку лабораторные методы предназначены для анализа при комнатной температуре, в то время как компоненты телескопа хранятся при криогенных температурах для повышения чувствительности.

В журнале Прикладная оптика, исследователи во главе с Джеффом МакМахоном из Чикагского университета описывают, как они применили свой новый подход к измерению оптики приемника телескопа с большой апертурой обсерватории Саймонса, которая включает в себя линзы, фильтры, перегородки и другие компоненты. Это первый раз, когда такие параметры были подтверждены в лаборатории перед развертыванием нового приемника.

«Обсерватория Саймонса создаст беспрецедентные карты послесвечения Большого взрыва, обеспечивая понимание первых моментов и внутренней работы нашей Вселенной», — сказал Чесмор, первый автор статьи. «Обсерватория поможет сделать эти сверхчувствительные карты космического микроволнового фона возможными».

Оглядываясь назад во времени

По словам Чесмора, карты космического микроволнового фона, которые будут подготовлены обсерваторией Саймонса, откроют окно в нашу Вселенную в столь ранний период ее истории, когда можно будет обнаружить крошечные сигналы квантовой гравитации. Однако зондирование космоса с такой чувствительностью требует лучшего понимания того, как электромагнитное излучение проходит через оптическую систему телескопа, и устранения как можно большего рассеяния.

В новой работе исследователи использовали технику, известную как радиоголография ближнего поля, которую можно использовать для реконструкции того, как электромагнитное излучение проходит через такую ​​систему, как телескоп. Чтобы сделать это при криогенных температурах, они установили детектор, который может отображать очень яркий когерентный источник, работая при чрезвычайно низкой температуре 4 Кельвина. Это позволило им создать карты с очень высоким отношением сигнал/шум, которые они использовали, чтобы убедиться, что оптика приемника телескопа с большой апертурой работает должным образом.

«Все объекты, включая линзы, сжимаются и изменяют свои оптические свойства при охлаждении», — объяснил Чесмор. «Работа с голографическим детектором при температуре 4 Кельвина позволила нам измерить оптику в той форме, в какой она будет при наблюдении в Чили».

От лаборатории к космическим наблюдениям

После того, как эти измерения были завершены, исследователи разработали программное обеспечение, чтобы предсказать, как телескоп будет работать с фотонами, поступающими из космоса, а не с источником ближнего поля, используемым в лаборатории.

«Программное обеспечение использует карты ближнего поля, которые мы измерили, чтобы определить поведение микроволнового источника в дальнем поле», — сказал Чесмор. «Это возможно только с использованием радиоголографии, потому что она измеряет как амплитуду, так и фазу микроволн, и существует известная связь между свойствами в ближней и дальней зоне».

Используя свой новый подход, исследователи обнаружили, что оптика телескопа соответствует предсказаниям. Они также смогли определить и смягчить источник рассеяния до того, как телескоп был развернут.

Оптическая система телескопа с большой апертурой, которую они охарактеризовали, сейчас направляется в Чили для установки. Обсерватория Саймонса будет включать в себя телескоп с большой апертурой, а также три телескопа с малой апертурой, которые будут использоваться вместе для точных и подробных наблюдений космического микроволнового фона. Исследователи из Чикагского университета продолжат описывать компоненты телескопов обсерватории Саймонса и заявят, что они с нетерпением ждут возможности использовать эти телескопы для лучшего понимания нашей Вселенной.