El cielo radio es más brillante de lo que los astrónomos pensaban, revela un prototipo del SKA
Imagen destacada: Una antena dipolo log-periódica SKALA4.1 en el Observatorio de Radioastronomía de Murchison en Australia Occidental. [Crédito: CSIRO / SKA Observatory]
Los astrónomos han subestimado el brillo del cielo radio de baja frecuencia por un margen significativo, según nuevas mediciones realizadas con una antena prototipo para el Square Kilometre Array publicadas en Nature Astronomy. Los hallazgos revelan que el fondo de radio difuso entre 60 y 350 megahercios es un 20 por ciento más brillante que los modelos anteriores en el extremo inferior de ese rango y un 50 por ciento más brillante a 350 megahercios.
El descubrimiento tiene implicaciones inmediatas para la calibración del próximo telescopio SKA-Low, la interpretación de los experimentos del amanecer cósmico que buscan la señal de hidrógeno de 21 centímetros, y nuestra comprensión de la población de electrones de alta energía en la Vía Láctea.
“Hemos determinado el brillo absoluto del fondo radio en bajas frecuencias para una parte muy grande del cielo, con una precisión sin precedentes”, dijo Michiel Brentjens de ASTRON, el Instituto Neerlandés de Radioastronomía, que no participó en el estudio. “Esto solo ha sido posible gracias a los recientes desarrollos en electrónica y al creciente poder de cómputo”.
Las mediciones fueron lideradas por Luke McKay de CSIRO, la agencia científica nacional de Australia, utilizando una antena dipolo log-periódica SKALA4.1, el mismo diseño utilizado en las estaciones SKA-Low, colocada sobre una malla terrestre de estación SKA-Low de 40 metros de diámetro en el Observatorio Inyarrimanha Ilgari Bundara en Australia Occidental.
El problema de la calibración
Medir el brillo absoluto del cielo radio de baja frecuencia es notoriamente difícil. En frecuencias más altas, los astrónomos pueden calibrar sus instrumentos apuntando a la Luna o un planeta, cuya temperatura es conocida. Pero en frecuencias por debajo de 350 MHz, el cielo mismo es lo más brillante en todas direcciones. No hay ningún parche vacío que sirva como referencia de nivel cero.
Los modelos de cielo anteriores, notablemente el Modelo de Cielo Global 2016 (GSM2016) construido a partir de observaciones del siglo XX, tienen incertidumbres sistemáticas de aproximadamente el 20 por ciento. Las nuevas mediciones reducen drásticamente esa incertidumbre: por debajo del 2 por ciento entre 60 y 150 MHz, aumentando a poco menos del 8 por ciento a 350 MHz.
El avance provino del receptor GINAN, una nueva arquitectura de receptor desarrollada por CSIRO que se autocalibra dinámicamente para el ruido del receptor, el ancho de banda y el desajuste de impedancia en tiempo real mientras está conectado a la antena. Esto elimina las incertidumbres de calibración que afectaron a todas las mediciones anteriores en este rango de frecuencias.
¿Qué está haciendo el cielo más brillante?
El cielo radio de baja frecuencia está dominado por la radiación de sincrotrón, emisiones de electrones de rayos cósmicos de alta energía que giran en espiral a lo largo de las líneas de campo magnético de la Vía Láctea. Las nuevas mediciones sugieren que hay más de estos electrones de alta energía de los que los modelos actuales contemplan.
Pero la población de electrones galácticos no es la única fuente posible. Poblaciones no resueltas de fuentes de radio distantes y muy débiles, a nivel de nanojansky, muy por debajo del umbral de detección de los estudios existentes, también podrían contribuir al exceso. Se considera que una combinación de ambos es la explicación más probable.
El artículo también especula sobre una posibilidad más exótica: que alguna fracción del exceso podría provenir de la descomposición de partículas de materia oscura. Brentjens describió la evidencia de materia oscura como “muy débil”, pero señaló que la medición precisa proporciona mejores límites superiores sobre posibles señales de descomposición y aniquilación de materia oscura.
Implicaciones para SKA-Low y más allá
El impacto práctico más inmediato está en la calibración de SKA-Low, que operará de 50 a 350 MHz, exactamente el rango de frecuencias cubierto por estas mediciones. Los nuevos datos proporcionan una escala precisa de densidad de flujo absoluta que puede servir como referencia primaria estable para calibrar todas las observaciones de SKA-Low.
Las implicaciones se extienden a los experimentos de época de reionización (EoR), que buscan detectar la señal de hidrógeno de 21 centímetros del amanecer cósmico. Estas observaciones deben restar el primer plano de radio difuso, que es órdenes de magnitud más brillante que la señal que intentan detectar. Un modelo de cielo incorrecto produce errores sistemáticos que podrían ahogar o imitar la señal EoR.
Otros telescopios de radio de baja frecuencia, incluyendo LOFAR en Europa, el Murchison Widefield Array en Australia y OVRO-LWA en California, necesitarán revisar sus escalas de calibración de flujo. El estándar existente, la escala de densidad de flujo de Baars, tiene incertidumbres sistemáticas de aproximadamente el 20 por ciento que ahora pueden corregirse.
El coautor Ron Ekers, una figura legendaria en la radioastronomía australiana, señaló que el resultado es un recordatorio de cuánta astrofísica fundamental queda por hacer incluso mientras la astronomía avanza hacia la era de las instalaciones de miles de millones de dólares. “Construimos un radiómetro mejor y descubrimos que el cielo no es lo que pensábamos”, dijo. “A veces los descubrimientos más importantes provienen de simplemente medir las cosas con más cuidado”.
Traducido por Alessandra