LOFAR

En poco tiempo LOFAR estará completamente operacional y producirá sus primeros resultados científicos. LOFAR (LOw Frequency ARray) es una red distribuida de sensores multipropósito. Principalmente se trata de un radiotelescopio pero también dispone de otro tipo de sensores. Su construcción y diseño se lidera desde ASTRON en los Países Bajos aunque también participan otros países.

Superterp

Estaciones centrales de LOFAR en los Paises Bajos. El circulo central que contiene 5 de las estaciones se denomina Superterp. Fuente: ASTRON © Top-foto, Assen.

El proyecto nació como un radiotelescopio para observar el Universo a bajas frecuencias (de 10 a 250 MHz). Más adelante incorporó conceptos nuevos de e-Ciencia y se transformó en algo más complejo. La combinación de los datos entre las distintas estaciones que componen LOFAR requiere líneas de transmisión de datos de alta velocidad que las interconecten. Como las estaciones se encuentran distribuidas se pueden aprovechar para conectarles distintos tipos de sensores además de los radiotelescopios propiamente dichos.

Los radiotelescopios

El uso de la palabra radiotelescopios en plural se debe a que se trata prácticamente de una combinación de dos radiotelescopios, uno a baja frecuencia (el LBA o Low Band Array entre 10 y 90 MHz) y otro a alta frecuencia (el HBA o High Band Array entre 110 y 250 MHz). Las antenas para cada una de estas bandas son distintas por lo que cada estación dispone de un juego de antenas HBA y otro LBA. Las antenas individuales son dipolos omnidireccionales que observan todo el cielo a la vez pero, al combinarse de una manera especial su señal, se puede conseguir un haz que apunte en una dirección concreta del cielo.

Estación de LOFAR UK

Estación de LOFAR UK en Chilbolton. En primer plano se pueden ver las antenas del LBA y en la parte superior izquierda las del HBA. Fuente: ASTRON

Antenas en Fase

La combinación de la señal de distintas antenas para observar en una dirección en concreto se conoce como antenas enfasadas. Se utiliza desde hace tiempo en otras áreas como en defensa donde, por ejemplo, los sistemas Aegis montados por las fragatas españolas F-100 usan antenas de este tipo. La combinación de la señal entre las antenas de LOFAR se realiza primero de forma electrónica con hardware en las propias estaciones y más tarde con software en el centro de supercomputación de la Universidad de Groningen usando un supercomputador Blue Gene. Primero se forma un haz ancho en cada pequeño conjunto de antenas, después se forman uno o varios haces un poco más pequeños en las estaciones. Cada haz apunta en una dirección en concreto y se puede observar en varias direcciones distintas a la vez ya que se pueden obtener varios haces simultáneamente, esta es una de las grandes ventajas de este método. El número de direcciones viene limitado por la potencia computacional instalada. Al no tener partes móviles y componerse de antenas de bajo coste se consigue disminuir el coste de operación.

Interferometría

Finalmente la señal de cada estación se transmite por líneas de alta velocidad hasta Groningen donde son combinadas entre sí. La técnica para combinar las señales se denomina interferometría o síntesis de apertura. Con esta técnica se consigue una resolución máxima equivalente a la de un telescopio con un diámetro igual al de las dos estaciones más lejanas. En el caso de LOFAR la linea de base más larga de momento tiene unos 1400 km con lo que se puede obtener, como máximo, una resolución equivalente a la de un telescopio de unos 1400 km de diametro, unos 0,2 segundos de arco a 250 MHz.

Esta técnica se usa con éxito en radioastronomía desde hace tiempo siendo algunos de los radionterferómetros más notables el Very Large Array (VLA) en Nuevo Mexico, EE.UU. o ALMA en Chile. En el caso de LOFAR se usan las mismas técnicas pero, al ser pionero en su concepto, aparecen nuevos desafios a los que enfrentarse:

  • A estas bajas frecuencias la ionosfera ejerce un efecto muy importante en la señal de radio. Este efecto se conoce desde hace tiempo y debe ser corregido pero la gran distancia entre las distintas estaciones externas hace que sea muy difícil determinar cual es la corrección necesaria.
  • Otro problema es que el patrón radiación  (recepción en este caso) de las estaciones está fijo con respecto a la tierra, no sigue el movimiento del cielo como en las antenas tradicionales. Esto se debe tener en cuenta a la hora de crear la imagen sintética.
  • Por último existen en el cielo fuentes muy potentes, objetos que son muy brillantes en estas frecuencias, que, al entrar dentro de los lóbulos laterales del patrón de radiación, introducen ruido en las observaciones. Estas fuentes son Cygnus A, Cassiopeia A, Virgo A y Taurus A por lo que se las conoce como el Equipo A.

Astronomía

Hay 6 proyectos científicos clave en LOFAR que tomarán gran parte del tiempo del radiotelescopio durante los primeros años de observación:

  • Epoca de la reionización – Con este proyecto se intentarán observar el momento en el que el Universo tenía unos 400 millones de años cuando se empezaron a formar las primeras estrellas. Antes de esto todo el gas estaba en estado neutro y, como no había aún luz de las estrellas, se denomina la edad oscura.
  • Sondeos extragalácticos profundos – Este proyecto cubre muchos campos científicos simultáneamente. Se trata de hacer un sondeo muy profundo del cielo para poder ver objetos muy débiles que no han sido detectados con anterioridad.
  • Fuentes transitorias – Al disponer de varias direcciones de observación simultáneas se pueden buscar fuentes transitorias de emisión radio como los púlsares de una manera más rápida.
  • Rayos cósmicos de energía ultra-alta – LOFAR es capaz de detectar la lluvia de partículas que producen los rayos cósmicos al chocar contra la atmosfera. Midiendo la intensidad y el tiempo en el que se recibe la señal en las distintas antenas se puede determinar la dirección y energía de los rayos cósmicos.
  • Ciencia solar y clima espacial – Con este proyecto se intentan estudiar las erupciones solares, las eyecciones de masa coronal y el magnetismo en el sistema solar.
  • Magnetismo cósmico – Por último, con este proyecto se intentan medir las propiedades del campo magnético en distintas regiones del Universo.

Otras aplicaciones

Principalmente las otras ramas científicas a las que se dedica LOFAR en la actualidad son la geofísica y la agronomía. En cuanto a geofísica se han colocado sensores sísmicos en las estaciones con los que se están experimentando nuevas técnicas como la interferometría sísmica. Para la agronomía se usa una pequeña red de sensores climáticos (temperatura, presión atmosférica, humedad e intensidad lumínica) cuyo objetivo es determinar el efecto del microclima en el desarrollo de la Phytophtora, una plaga que afecta la producción de patata.

SKA

LOFAR se considera uno de los precursores de un proyecto mucho más ambicioso denominado Square Kilometre Array (SKA). SKA será el radiotelescopio más grande del mundo cuando se construya, con un área colectora de luz de un kilometro cuadrado de superficie. La localización final se disputa entre Sudáfrica y Australia.

Esperemos que la crisis no acabe con este interesante proyecto.

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