Después de la Segunda Guerra Mundial, en la década de 1940, Estados Unidos estaba inundado de equipos de radar y técnicos experimentados que podían hacerlo funcionar. Eso preparó el escenario para el nacimiento de un nuevo campo de la ciencia: la radioastronomía.
En 1944, el astrónomo holandés Hendrick van de Hulst predijo que el hidrógeno interestelar debería emitir radiación electromagnética con una longitud de onda específica. Observó que un átomo de hidrógeno contiene sólo un protón y un electrón y ambos tienen una propiedad conocida como espín. Estas partículas pueden girar en la misma dirección o en direcciones opuestas y van de Hulst se dio cuenta de que debía haber una pequeña diferencia de energía entre estos dos estados.
Entonces, cualquier átomo de hidrógeno que pase del estado de mayor energía al estado de menor energía debe emitir un fotón, que calculó tendría una longitud de onda de 21 centímetros y una frecuencia de 1420 megahercios. Esa es aproximadamente la misma longitud de onda de microondas en la que operaba el radar.
En 1951, los astrónomos que trabajaban en la Universidad de Harvard en Cambridge detectaron esta radiación por primera vez. Y dado que el universo está lleno de hidrógeno en diferentes densidades, la capacidad de trazar un mapa de esta distribución impulsó el naciente campo de la radioastronomía.
Rotación galáctica
Desde entonces, los astrónomos lo han utilizado para determinar la estructura de la Vía Láctea, medir la rotación de otras galaxias y estudiar el papel del hidrógeno en el universo temprano poco después del Big Bang.
Pero a diferencia de la astronomía ordinaria, en la que los aficionados han desempeñado un papel importante, la radioastronomía ha sido inaccesible para todas las instituciones, salvo las mejor financiadas. Ahora parece que eso va a cambiar gracias al trabajo de Jack Phelps, quien ha publicado el diseño de un radiotelescopio que cualquiera puede construir en su patio trasero por unos cientos de dólares.
En principio, el dispositivo de Phelps es sencillo. Consta de una antena parabólica de 1 metro de longitud, del tipo que se utiliza para la recepción de televisión por satélite. Este enfoca las señales de radio analógicas del cielo y las envía a través de un amplificador de bajo ruido que amplifica la señal, un filtro de paso de banda que rechaza señales fuera de las frecuencias de interés y luego a través de otro amplificador de bajo ruido.
En este punto, la señal se digitaliza mediante una radio definida por software que se ejecuta en una microcomputadora Raspberry Pi 4 con 8 GB de RAM y un procesador quadcore de 64 bits que funciona a 1,5 GHz, todo ello alimentado por un cable de alimentación a través de Ethernet para mantener el ruido. al mínimo.
El Pi ejecuta un sistema operativo personalizado desarrollado por Glen Langston en la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., específicamente para observar la línea de hidrógeno de 21 centímetros y procesar los datos de la misma.
Phelps montó todo este equipo en lo alto de su casa, lo que planteó otro problema. Las casas suburbanas comunes están llenas de dispositivos y equipos electrónicos que a veces pueden emitir ruido electromagnético exactamente en las frecuencias que los radiotelescopios pretenden detectar.
Para mitigar este problema, almacenó todos los equipos de procesamiento de señales en cajas cubiertas con papel de cocina y conectadas a tierra, que evitarían la penetración de interferencias electromagnéticas. “La lámina no sólo protegía contra EMI, sino que también proporcionaba aislamiento térmico”, dice Phelps.
Ofertas de segunda mano
El costo total de esta configuración es de menos de $200 a $400, y los equipos de segunda mano o dispositivos reutilizados reducen significativamente el precio.
Phelps calculó el área que la antena parabólica puede observar. “El ancho de haz calculado de la antena es de unos 14,78 grados”, afirma. Entonces, al escanear el plato para realizar observaciones en muchos puntos diferentes, puede crear una imagen de partes del cielo.
Y los resultados son impresionantes. Phelps apuntó el plato hacia el Centro Galáctico dentro del brazo de Sagitario, que se sabe que tiene nubes de formación de estrellas ricas en hidrógeno. El instrumento detectó picos de hidrógeno en estas áreas y Phelps incluso pudo observar un pequeño corrimiento al rojo, lo que sugiere que estas nubes deben estar alejándose de la Tierra.
Estos resultados son exactamente los esperados. “La coherencia de estas observaciones con la estructura esperada del Brazo de Sagitario respalda la precisión de los datos, a pesar de los posibles desafíos atmosféricos”, dice Phelps.
Encuentra uno o dos problemas con el ruido atmosférico, pero parece claro que el radiotelescopio de su patio trasero es un equipo muy útil. “Las elevaciones más altas proporcionan señales más claras, mientras que las elevaciones más bajas muestran más ruido atmosférico, pero la estructura general de los brazos espirales de la Vía Láctea sigue siendo detectable desde todos los ángulos”, concluye Phelps.
Es un trabajo interesante que, con suerte, generará muchos seguidores. Lo que se necesita a continuación es una comunidad de radioastrónomos aficionados que puedan comenzar a recopilar datos que complementen el trabajo de sus colegas profesionales, tal como lo han hecho los astrónomos aficionados que trabajan en la parte visible del espectro durante cientos de años.
Entonces, si tienes espacio en tu patio trasero y una antena parabólica de repuesto, ¿por qué no intentarlo? Seguramente Van de Hulst quedaría impresionado.
Ref: Espectroscopia y cinemática de estructuras galácticas de hidrógeno neutro: diseño de un radiotelescopio doméstico para una emisión de 21 cm: arxiv.org/abs/2411.00057