Radiotelescópios e o BINGO

Rádiotelescópios usam receptores muito semelhantes aos rádios AM-FM ou às televisões de sinal aberto. Os sinais de rádio vindos do espaço são coletados através de antenas parabólicas, juntamente com diversos sinais artificiais da vizinhança e são enviados a um receptor, juntamente com ruídos locais de diversos tipos, denominados genericamente de interferência de radiofrequência (Radio-frequency Interference - RFI). Estes instrumentos, diferentemente dos telescópios ópticos, captam ondas de rádio e suas dimensões físicas dependem das frequências das ondas que se deseja monitorar. No Brasil, o maior radiotelescópio em operação encontra-se no Rádio Observatório Pierre Kauffmann, com a antena principal de 14 metros de diâmetro e projetado para operar em freqüências até 100 GHz (Figura 5.1).

Figura 5.1: Radiotelescópio do Itapetinga. (Fonte: https://www.bbc.com/portuguese/brasil-49400038).

O "sistema óptico", que inclui o refletor (a "parábola") e o caminho seguido pela onda eletromagnética até o receptor, é o mesmo seguido pela luz visível em um telescópio óptico. Rádio astrônomos costumam chamar o arranjo parábola + receptor de "antena". Após ser coletado pela antena, o sinal eletromagnético é amplificado por um amplificador de baixo ruído (Low Noise Amplifier - LNA), filtrado por um filtro passa-banda (Bandwidth Pass Filter - BPF) e, eventualmente, combinado à frequência de um oscilador local para permitir um tratamento mais simples. O sinal é, então, amplificado mais uma vez e, depois, integrado.

A Figura 5.2 compara um rádio simples a um rádiotelescópio. A antena do rádio à esquerda coleta ondas de rádio da mesma forma que a antena do radiotelescópio à direita. O seletor de frequência no rádio ("sintonizador") e os demais elementos para filtrar e melhorar a recepção processam a corrente elétrica gerada pelas ondas recebidas antes de serem transformadas nas ondas sonoras emitidas pelos alto-falantes. Analogamente aos rádios domésticos, os mesmos processos de seleção de frequência, amplificação e processamento de sinais ocorrem no rádiotelescópio antes de serem integrados e enviados ao computador.

Figura 5.2: Receptor de rádio doméstico normal (esquerda) e radiotelescópio (direita). (Fonte da figura à direita: Encyclopaedia Brittanica).

O Radiotelescópio BINGO

A principal motivação do radiotelescópio BINGO é ser o primeiro telescópio a detectar BAO na banda de rádio do espectro eletromagnético, mais especificamente entre 980 MHz e 1260 MHz. Através de medidas da linha de 21 cm serão criados mapas da distribuição de HI em diferentes redshifts, o que fornecerá dados para detecção de BAO, contribuições para restrição dos parâmetros cosmológicos e maior compreensão da energia escura.

O BINGO é um consórcio composto por instituições de diversos países. Os principais são: no Brasil, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), a Universidade Federal de Campina Grande (UFCG) e a Universidade de São Paulo (USP); na Inglaterra, as University of Manchester e University College London; na Suíça, a Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich); na China, a YangZhou University; na França, o Institut d’astrophysique de Paris e, na África do Sul, a University of KwaZulu-Natal.

O instrumento será instalado na Serra da Catarina, município de Aguiar, no Vale do Piancó, no sertão do Estado da Paraíba, (Lat: 07o02’57" S, Long: 38o15’46" W), local onde os níveis de interferência em rádio (em inglês, RFI) na banda de operação do radiotelescópio foram os mais baixos encontrados durante a campanha de medidas de RFI realizada em 2016 – 2017. O radiotelescópio será instalado na Serra da Catarina, município de Aguiar, Paraíba, num local cujas coordenadas são 7° 02′ 57″ Sul e 38° 15′ 46″ Oeste (Figura 5.3).

Figura 5.3: Local de instalação do radiotelescópio BINGO.

Um resumo do sistema óptico e características do BINGO encontram-se na tabela abaixo:

O BINGO realizará observações na faixa de frequências entre 980 MHz e 1260 MHz. O corte inferior em frequência (980 MHz) é para minimizar a RFI, reduzindo a interferência dos sinais de telefonia celular (entre 700-956 MHz).

O radiotelescópio BINGO privilegia um conceito que é complementar a rádiotelescópios interferométricos: ele usará, para um mesmo sistema de refletores, muitos detectores no plano focal. Em geral, interferômetros são constituídos de muitos refletores e somente um detector (ou poucos) no plano focal. Telescópios como o BINGO possuem uma clara vantagem no custo de fabricação e manutenção, além do tratamento de dados ser intrinsecamente mais simples. A desvantagem óbvia é que a área coletora de um interferômetro será, normalmente, bem maior do que a de um único telescópio, e a consequente resolução angular, bem melhor. Um diagrama esquemático do telescópio, com um arranjo hexagonal das cornetas e o sistema óptico, aparece na Figura 5.4. A orientação do plano focal em relação ao céu e às coordenadas locais encontra-se na Figura 5.5.

Figura 5.4: Plano focal com o arranjo de 49 cornetas (esquerda). Orientação do sistema óptico, com o espelho secundário na vertical, à esquerda; o espelho primário, inclinado, ao centro; o arranjo de cornetas à direta, sobre a elevação (direita).

O INPE participa ativamente do desenvolvimento do projeto, liderando a construção dos protótipos e testes das cornetas, assim como da eletrônica do rádiotelescópio, desenvolvimento e testes de técnicas de calibração e redução de dados. As componentes do BINGO são, em sua maioria, produzidas/fabricadas pela indústria nacional.

A Figura 5.6 mostra o esquema do receptor + corneta do BINGO, com o diagrama de blocos no centro. O digital backend (retângulo vermelho na parte inferior esquerda do diagrama de blocos) realizará a transformada rápida de Fourier (FFT) do sinal enviado pela cadeia de receptores, separando-os em diversos canais entre 980 e 1260 MHz. Esse número ainda será definido. Os detalhes do receptor serão descritos na próxima seção.

Figura 5.5: Esquema do projeto óptico do BINGO com os ângulos de orientação.

Figura 5.6 – Diagrama do sistema de recepção (corneta + front end + receptor + back end) com fotos descrevendo partes já construídas. O retângulo vermelho na parte superior direita do diagrama de blocos refere-se a duas cadeias de um radiômetro simples que, combinando com os magic-tees (hybrid, no diagrama de blocos) constituirá um correlacionador completo (full correlation receiver).