Am Simons-Observatorium in Nordchile werden einige der größten und fortschrittlichsten Teleskope gebaut, die jemals gebaut wurden. Sie wurden entwickelt, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund – elektromagnetische Strahlung, die bei der Entstehung des Universums übrig geblieben ist – mit beispielloser Empfindlichkeit zu messen. In einer neuen Studie beschreiben Forscher eine Analysemethode, die diese Teleskope verbessern könnte, indem ihre Leistung vor der Installation bewertet wird.
„Wir haben eine Möglichkeit entwickelt, Radio-Holographie zu verwenden, um ein vollständig integriertes kryogenes Teleskopinstrument vor dem Einsatz zu charakterisieren“, sagte Grace Chesmore, Mitglied des Forschungsteams von der University of Chicago. „Im Labor ist es viel einfacher, Probleme zu erkennen, bevor sie problematisch werden, und die Komponenten im Inneren des Teleskops zu manipulieren, um die Leistung zu optimieren.“
Obwohl es üblich ist, bis nach der Installation zu warten, um die optische Leistung eines Teleskops zu charakterisieren, ist es schwierig, Anpassungen vorzunehmen, wenn alles an seinem Platz ist. Eine vollständige Analyse kann jedoch normalerweise nicht vor der Installation durchgeführt werden, da laborbasierte Techniken für die Analyse bei Raumtemperatur ausgelegt sind, während die Teleskopkomponenten zur Verbesserung der Empfindlichkeit auf kryogenen Temperaturen gehalten werden.
Im Tagebuch Angewandte Optikbeschreiben Forscher unter der Leitung von Jeff McMahon von der University of Chicago, wie sie ihren neuen Messansatz auf die Empfängeroptik des Simons Observatory Large Aperture Telescope angewendet haben, die Linsen, Filter, Leitbleche und andere Komponenten umfasst. Dies ist das erste Mal, dass solche Parameter vor dem Einsatz eines neuen Empfängers im Labor bestätigt wurden.
An der University of Chicago tastet eine Mikrowellenquelle die Öffnung des Teleskops ab, und Detektoren messen die Reaktion auf der Rückseite des Teleskops. Bildnachweis: Grace Chesmore, University of Chicago
„Das Simons-Observatorium wird beispiellose Karten des Nachleuchtens des Urknalls erstellen, die ein Verständnis der ersten Momente und der inneren Funktionsweise unseres Universums vermitteln“, sagte Chesmore, Erstautor der Veröffentlichung. „Das Observatorium wird dazu beitragen, diese hochempfindlichen kosmischen Mikrowellen-Hintergrundkarten zu ermöglichen.“
Blick zurück in die Zeit
Die kosmischen Mikrowellen-Hintergrundkarten, die vom Simons-Observatorium erstellt werden, werden ein Fenster in unser Universum zu einem so frühen Zeitpunkt in seiner Geschichte bieten, dass winzige Signale der Quantengravitation nachweisbar sein könnten, sagt Chesmore. Um jedoch den Weltraum mit einer solchen Empfindlichkeit zu untersuchen, ist ein besseres Verständnis dafür erforderlich, wie sich elektromagnetische Strahlung durch das optische System des Teleskops ausbreitet, und es muss so viel Streuung wie möglich eliminiert werden.
In der neuen Arbeit verwendeten die Forscher eine als Nahfeld-Radioholographie bekannte Technik, mit der rekonstruiert werden kann, wie elektromagnetische Strahlung durch ein System wie ein Teleskop wandert. Um dies bei kryogenen Temperaturen zu tun, installierten sie einen Detektor, der eine sehr helle kohärente Quelle abbilden kann, während er bei der extrem kalten Temperatur von 4 Kelvin arbeitet. Dadurch konnten sie Karten mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis erstellen, mit denen sie sicherstellten, dass die Empfängeroptik des Large Aperture Telescope wie erwartet funktionierte.
„Alle Objekte, einschließlich Linsen, schrumpfen und zeigen Veränderungen der optischen Eigenschaften, wenn sie abkühlen“, erklärte Chesmore. „Durch den Betrieb des Holographie-Detektors bei 4 Kelvin konnten wir die Optik in den Formen messen, die sie bei der Beobachtung in Chile haben werden.“
Von Labor- zu Weltraumbeobachtungen
Nachdem diese Messungen abgeschlossen waren, entwickelten die Forscher eine Software, um vorherzusagen, wie das Teleskop mit Photonen aus dem Weltraum und nicht mit der im Labor verwendeten Nahfeldquelle funktionieren würde.
„Die Software verwendet die Nahfeldkarten, die wir gemessen haben, um das Verhalten einer Fernfeld-Mikrowellenquelle zu bestimmen“, sagte Chesmore. „Das ist nur mit der Radioholographie möglich, weil sie sowohl die Amplitude als auch die Phase der Mikrowellen misst und es einen bekannten Zusammenhang zwischen den Eigenschaften im Nah- und Fernfeld gibt.“
Mit ihrem neuen Ansatz fanden die Forscher heraus, dass die Optik des Teleskops den Vorhersagen entsprach. Sie waren auch in der Lage, eine Streuquelle zu identifizieren und abzumildern, bevor das Teleskop eingesetzt wurde.
Das von ihnen charakterisierte optische System des Large Aperture Telescope ist nun zur Installation nach Chile unterwegs. Das Simons-Observatorium wird das Large Aperture Telescope sowie drei Small Aperture Telescopes umfassen, die zusammen für präzise und detaillierte Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verwendet werden. Die Forscher der University of Chicago werden weiterhin Komponenten für die Teleskope des Simons-Observatoriums charakterisieren und sagen, dass sie sich darauf freuen, diese Teleskope zu verwenden, um unser Universum besser zu verstehen.
Mehr Informationen:
Grace E. Chesmore et al, Simons Observatory: Charakterisierung des Large Aperture Telescope Receiver mit Radioholographie, Angewandte Optik (2022). DOI: 10.1364/AO.470138