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Cómo funciona ALMA

Por Antonio Hales y Equipo EPO.

En teoría, la idea básica de la interferometría es simple. Consiste en recolectar una señal proveniente del cielo usando dos o más antenas y combinarlas para analizar la señal y así obtener información sobre la fuente de la emisión (ya sea una estrella, planeta, o galaxia).

Al combinar ondas de radio capturadas por dos o más antenas, es posible obtener imágenes de altísima precisión. Estas imágenes son similares a las que se obtendrían con un telescopio o antena gigante de 14 kilómetros de diámetro. Sin embargo, construir y operar una antena de ese tamaño es tecnológicamente imposible (al menos con las tecnologías actuales), por lo cual construir varias antenas pequeñas y utilizarlas combinadamente resulta mucho más plausible.

Sin embargo, en la práctica, esto no es tan sencillo.

Para su funcionamiento, ALMA depende de que tanto sus 66 antenas como su electrónica trabajen en forma perfectamente sincronizada, con una precisión de una millonésima de millonésima de segundo. Asimismo, el camino recorrido por la señal astronómica desde su llegada a cada antena, hasta que es combinada en el computador central (llamado correlacionador), ha de ser conocido con una exactitud similar al diámetro de un cabello  humano (centésimas de milímetro). Y como si esto no presentase suficientes desafíos, está el problema de reducir la posible atenuación y perturbación que sufre la señal desde que toca cada antena, hasta ser digitalizada y transmitida por varios kilómetros de fibra óptica hacia el computador central. Incluso antes, apenas la señal astronómica penetra la atmósfera terrestre, ésta es parcialmente absorbida,  desviada y retardada por moléculas de CO2, Oxígeno y Agua (aún a 5.000 metros de altitud y en las áridas condiciones del Desierto de Atacama). Modelos atmosféricos sofisticados, 7 estaciones de monitoreo de condiciones climáticas y radiómetros para medir la cantidad de vapor de agua presentes en la línea de visión de cada antena, serán utilizados por ALMA para corregir estos efectos atmosféricos indeseados.

Esquema del trayecto que sigue una señal astronómica captada por una antena de ALMA. En un primer momento, la señal es recibida por la antena, para luego pasar por el Front End, enfriado por criogenización a 4 Kelvin, donde se reduce su frecuencia. Luego la señal es digitalizada por el Back End y transmitida por fibra óptica hasta el edificio central, donde el correlacionador combina la señal de todas las antenas. ALMA es controlado desde el Centro de Operaciones (OSF, por su sigla en inglés), donde se recibe, procesa y almacena la información.
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Como su nombre lo indica, ALMA es un ‘arreglo’ o conjunto de antenas. El desafío técnico principal de ALMA es poder apuntar simultáneamente todas las antenas a una misma región del cielo, captar con cada antena la señal astronómica, luego convertirla a formato digital, para luego transmitir la señal desde cada antena a un edificio central, donde un super-computador combinará las señales recibidas por las distintas antenas para crear los ‘datos’ a partir de los cuales se podrá efectuar un análisis científico sobre las propiedades de la fuente de dicha señal. Todo esto con una precisión y calidad jamás vista. Un ejemplo cotidiano puede ayudar a entender este aparentemente complicado proceso. El sistema auditivo humano está diseñado de tal modo que cada uno de sus componentes cumple una función muy similar a ALMA, en este caso con el propósito de hacer llegar el sonido al cerebro: al apuntar una oreja hacia la fuente de un sonido, gracias a su anatomía ésta canaliza el sonido y lo hace llegar a un receptor (el tímpano) capaz de captar y convertirlo en un impulso eléctrico que es trasmitido por el nervio auditivo hasta el cerebro. El cerebro recibe la señal de ambas orejas, las combina y analiza con el fin discernir sobre la naturaleza de la fuente (ej. quién, cómo, dónde).

Esta cadena de canalización, recepción, conversión, trasmisión, combinación y análisis es análoga a las distintas etapas por las que pasarán ondas de radio que han viajado por millones de años por el espacio una vez que ingrese a cada antena de ALMA. Asimismo, esta cadena define la arquitectura e ingeniería de ALMA, así como su modelo organizacional dividido en Equipos de Producto Integrado (IPT por su sigla en inglés). En este articulo hacemos un breve tour por los distintos componentes que constituyen ALMA y como sólo con un perfecto funcionamiento conjunto de estos será posible la revolución científica de ALMA.

Antena

Antenna ALMA

La función de las antenas de ALMA es recolectar y concentrar ondas de radio provenientes desde la fuente astronómica en un punto llamado el foco. La luz concentrada en el foco es reflejada por una segunda superficie llamada el sub-reflector hacia atrás de la superficie parabólica, donde se encuentra el receptor encargado de captar la señal concentrada por la antena.

Para recolectar la mayor cantidad de ondas de radio posibles y así optimizar la calidad de la señal recibida, las antenas tienen que apuntar con una precisión única. Asimismo, si la superficie de la antena es imperfecta, las ondas de radio se perderán al ser reflejadas en otras direcciones. Por lo tanto, se ha establecido que la superficie de las antenas de ALMA debe igualar la de una parábola perfecta con no más de 20 micrones de error promedio (o 50 veces más pequeño que un milímetro). IPT Antena está compuesto por Norteamérica, el Observatorio Europeo Austral y Asia del Este.

Front End

Dos Front End distintos de ALMA. La Banda 4 opera entre 125 y 163 GHz y es diseñada y construida por NAOJ en Japón. La Banda (, también construida por NAOJ, está diseñada para operar a frecuencias mucho más elevadas (385 a 500 GHz) lo que se ve reflejado en la diferencia de diseño.

Front End (FE) se denomina al Inicio de una compleja cadena de recepción, amplificación, conversión y digitalización de la señal recogida por cada antena. El FE es el primer elemento electrónico por el cual pasa la señal del cielo, y por lo mismo al amplificar y convertir la señal debe intentar maximizar la detección de la señal original, introduciendo la menor cantidad de ‘ruido’ posible. Es por eso que la etapa más crítica del FE es mantenida a una temperatura de 4 Kelvin (-269 °C). Para el FE se ha desarrollado tecnología de punta en laboratorios en EEUU., Canadá, Reino Unido, Holanda, Francia y Japón, representando avances únicos en instrumentación a nivel mundial.

Primero, la señal proveniente del subreflector es canalizada a través de una serie de pequeños espejos hacia las componentes más frías del FE, donde se encuentran los detectores. En el centro del FE, a 4 Kelvin, la señal del cielo es mezclada con una frecuencia de referencia con el fin de bajar la señal desde su frecuencia original (entre 30 y 900 GHz) equivalentes a entre 0.3 y 9.7 mm) a una frecuencia intermedia (IF, menor que 15 GHz). Esta IF, al ser más baja, es más fácil de procesar por el sistema de digitalización y transmisión (Back End), el cual se encargará de transmitirla por fibras ópticas de hasta 15 Km de largo hacia el correlacionador.

ALMA será utilizado en 10 bandas de frecuencia, por lo cual el FE contiene 10 cartuchos uno para cada banda. El amplio rango de frecuencias ha requerido implementar tecnologías distintas para los receptores de frecuencias más extremas.

Back End

Back End cumple la función del sistema nervioso de ALMA. La función principal del BE es transmitir la señal recibida por cada uno de los receptores (FE) en cada antena hacia el computador central (correlacionador). Primero la señal proveniente del FE es nuevamente convertida a una frecuencia aún más baja, de entre 2 y 4 GHz. Luego un sistema de digitalización procesa la señal, para luego transmitirla por fibra óptica bajo tierra hasta el edificio central.

Pero además de transmitir la señal hacia el correlacionador, BE cumple el rol de director de orquesta del conjunto, al enviar el compás de referencia a todos los elementos de ALMA para asegurar que el movimiento de las antenas, la electrónica y la escritura de datos a archivo sean efectuados en forma sincrónica. Un reloj atómico de Hidrógeno de altísima precisión ubicado en el edificio central (AOS) genera un pulso de referencia que el BE envía a cada uno de los componentes de ALMA estableciendo así una referencia temporal para la operación del arreglo. Y es más, el BE también envía una señal láser de ida y vuelta a través de la fibra óptica a cada antena utilizada para medir y monitorear constantemente el largo de las fibras a medida que éstas se expanden o contraen debido a los continuos cambios de temperatura. Cualquier cambio en el largo de las rutas recorridas por las señales provenientes de cada antena hacia el correlacionador, son compensadas estirando o comprimiendo mecánicamente la fibra óptica. Este sistema de corrección de largo de fibra permite mantener el largo del camino recorrido por las señales constante, con una estabilidad de 1 micrón.

Correlacionador

El correlacionador es el cerebro de ALMA. Consiste en un súper-computador especialmente diseñado para ALMA. Su única función es tomar las señales provenientes de sus múltiples antenas y combinarlas generando datos astronómicos que posteriormente serán analizados. El correlacionador multiplica las señales de las distintas antenas, y guarda los datos en archivos llamados Visibilidades y que contienen toda la información necesaria para formar un imagen en 2-D de la región del cielo observada (además de proveer información espectral, o sea la capacidad de formar imágenes a distintas frecuencias). El proceso de pasar de las Visibilidades a una imagen científica conlleva una serie de etapas de calibración y reducción, para los cuales se ha desarrollado un programa de reducción de datos especializado. 

Cuando esté listo, este procesador digital fabricado especialmente para ALMA destronará la supercomputadora más potente del mundo.

Computing

Computing IPT (CIPT) es el encargado de toda la informática relacionada con ALMA. CIPT es responsable del importante software de control de las antenas, de la instrumentación, y del archivo de los datos. De este modo CIPT debe vigilar que todos los parámetros y componentes de ALMA se mantengan estables y bajo control durante toda la observación, así como del diseño y operación del sistema de captura de datos en tiempo real del correlacionador. Además CIPT debe proveer a la comunidad científica un software para preparar las observaciones (el ALMA Observing Tool o ALMA-OT) y un programa especializado para el procesamiento y reducción de datos llamado Common Astronomy Software Applications (CASA).

Science

IPT Ciencia está encargado de llevar a cabo la verificación científica de los datos obtenidos por ALMA, es decir, de la interpretación de las Visibilidades (datos) que medirá ALMA hacia alguna dirección particular del cielo. Compuesto por astrónomos, el IPT Ciencia esta directamente involucrado en la puesta en marcha o ‘commissioning’ de ALMA, la verificación del buen funcionamiento de cada uno de sus componentes así como de la validez científica de los datos. En conjunto con un equipo de ingenieros miembros del grupo en ensamblaje, integración y verificación (AIV por sus siglas en inglés), IPT Ciencia realiza todas las calibraciones y verificaciones para testear que todos los equipos estén funcionando acorde con los requerimientos técnicos y científicos de ALMA, y una vez que este entre en operaciones continuará coordinando y monitoreando cada noche los datos recogidos.