El Fondo Cósmico de Microondas (CMB) es la radiación remanente del universo temprano, constituyendo una radiografía de sus condiciones iniciales y evolución posterior. El estudio de las fluctuaciones de temperatura del CMB ha permitido consolidar el modelo cosmológico estándar, el cual permite conocer la edad, evolución y composición con alta precisión. Hoy los esfuerzos se han enfocado en la medición de su campo de polarización, el cual contendría claves para entender la física que gobernó la formación del universo, a escalas de energía inalcanzables por aceleradores de partículas. Más aún, esta radiación de fondo contiene información sobre todo el universo observable, la cual quedaría impresa a lo largo de su camino hasta nosotros. Es así como de ella podemos extraer la distorsión gravitacional producida por la estructura a gran escala, modelada por la materia y energía oscura, permitiendo revelar por ejemplo la masa de los neutrinos. También permite detectar los halos de plasma caliente presentes en cúmulos de galaxias a través del efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZ), revelando la abundancia y naturaleza de estos objetos, así como el campo de velocidades de la estructura a gran escala mediante el efecto SZ cinético. Finalmente, en estos mapas, que abarcan casi todo el cielo, es posible detectar quasares, galaxias de polvo a alto redshift (DSFGs), galaxias cercanas, así como detalles de la emisión de polvo y sincrotrón de nuestra galaxia, y objetos de sistema solar, incluyendo una eventual detección del planeta IX. En conclusión, el estudio del CMB es un área con mucho futuro, que goza de gran actividad científica internacional, y que promete producir un gran número de descubrimientos importantes en los próximos años.
El CMB brilla sobre todo el cielo con un espectro de cuerpo negro casi perfecto, a una temperatura promedio de 2.76 K, con pequeñas fluctuaciones espaciales de menos de una milésima de grado. Éstas están alrededor de un 10% polarizadas, formando el campo de polarización del CMB. Este campo puede ser descompuesto en dos modos ortogonales llamados E y B, siendo el modo B el de mayor interés científico actualmente, pero cuya amplitud es de tan sólo una millonésima de grado Kelvin. Dicha señal debe ser además separada de la contaminación por fuentes delante del fondo, como nuestra galaxia, y distinguida de posibles efectos sistemáticos propios de cada experimento. Todo esto hace de éste un tremendo desafío tecnológico, requiriendo el desarrollo de detectores ultra sensibles, operando a temperaturas criogénicas del orden de 0.1 K, posibles de fabricar en arreglos de miles de elementos y multicroicos para albergar varias bandas de frecuencia simultáneamente; sistemas de lectura capaces de monitorear cada detector a tasas de cientos de Hertz; telescopios con óptica especialmente diseñada para maximizar el campo focal minimizando al mismo tiempo distorsiones y lóbulos laterales; sistemas de modulación de la polarización; sistemas de procesamiento para grandes volúmenes de datos usando técnicas de HPC; simulaciones detalladas de los efectos sistemáticos, incluyendo tanto aspectos astronómicos como técnicos del instrumento; y sistemas de calibración, caracterización y alineación de los telescopios.
Este desafío hoy supera en general las capacidades de institutos de investigación individuales, requiriendo la conformación de colaboraciones interdisciplinarias que pueden agrupar a cientos de científicos e ingenieros. La mayoría de estas instituciones corresponden a universidades, concentradas en EEUU, Europa y Japón, teniendo gran participación de estudiantes de postgrado en el desarrollo tecnológico y científico, lo cual hace de ésta una disciplina con un alto componente académico, y con alto potencial de transferencia tecnológica a otras áreas.
Chile tiene condiciones inigualables para la observación del CMB. Por eso concentra el mayor número de telescopios terrestres del mundo. Actualmente estos son ACT (liderado por la Universidad de Princeton), Simons Array (3 telescopios, liderado por la Universidad de Berkeley) y CLASS (2 telescopios, liderado por la Universidad Johns Hopkins), a los que pronto se sumarán Simons Observatory (4 telescopios, liderado por un consorcio de universidades americanas) y CCAT-prime (el más alto de su clase, liderado por la Universidad de Cornell). La presencia de estos observatorios constituye una oportunidad única para el desarrollo científico y tecnológico nacional, al permitirnos colaborar directamente en experimentos de clase mundial. Más aún, dada la naturaleza y especificidad de estos telescopios, el 10% de tiempo de observación chileno no puede ser utilizado mediante el sistema de postulación tradicional, debiendo ser reemplazado por beneficios dirigidos a fomentar el acceso y participación de científicos chilenos en estas colaboraciones científicas. En otras palabras, estos experimentos tienen la obligación de desarrollar colaboraciones reales con investigadores nacionales, incluyendo tanto aspectos observacionales como tecnológicos, las cuales pueden dar pie luego a colaboraciones de alto nivel con las principales universidades y centros de investigación del mundo.
El grupo de CMB de la PUC comenzó en mi llegada en 2010, luego de concluir mi doctorado trabajando en el desarrollo, instalación y primeras observaciones del telescopio ACT. Durante estos años, el grupo se ha desarrollado en torno a su colaboración científica y tecnológica con los distintos experimentos que se han instalado en Chile, teniendo hoy distinto grado de participación en todos ellos. Para esto, el grupo se ha enfocado en aquellos aspectos donde la cercanía a los telescopios, así como el acceso a tiempo de observación chileno, es una ventaja significativa. En particular, el grupo se ha especializado en: (1) reducción de datos crudos, incluyendo selección, calibración y detección de efectos sistemáticos; (2) medición y alineación de la óptica de cada telescopio usando fotogrametría; (3) caracterización óptica de los telescopios utilizando simulaciones electromagnéticas, así como el desarrollo de instrumentación experimental para la medición de la respuesta en amplitud, polarización y frecuencia de cada telescopio; (4) análisis de fuentes extragalácticas descubiertas en los mapas de CMB, incluyendo observaciones de seguimiento usando el tiempo de observación chileno en otros telescopios, para la generación de catálogos e identificación de galaxias de alto redshift y de alta tasa de formación estelar. El grupo a dado especial énfasis al desarrollo computacional, instrumental y experimental, ya que consideramos que son áreas que tienen un gran potencial en Chile y donde el acceso a la tecnología única de estos proyectos constituye una oportunidad inigualable para contribuir al desarrollo tecnológico e industrial del país. El grupo se ha desarrollado en el contexto del Centro de Astro-Ingenieria UC (AIUC), el cual le ha provisto tanto del espacio físico de oficinas y laboratorios, así como de un ambiente de interacción y colaboración entre ingenieros y astrónomos, permitiendo el desarrollo de proyectos de índole interdisciplinaria. Paralelamente, hemos contribuido al desarrollo académico del área de radioastronomía, con la creación del curso del mismo nombre y del observatorio docente, el cual hoy cuenta con dos radiotelescopios para observación de la línea de Hidrógeno neutro, equipados para realizar observaciones de interferometría, y de dos antenas de 25 MHz para medición de radiación de ciclotrón mediante interferometría de larga base. Durante sus 9 años de historia, el grupo a acogido a 4 Postdocs, 4 estudiantes de doctorado, 5 estudiantes de magister, y 8 tesistas de licenciatura en astronomía. Por su parte, el grupo ha producido un total de 55 papers ISI y 27 proceedings con afiliación UC.
El grupo ha financiado sus actividades principalmente mediante la obtención de fondos de investigación externos, lo cual ha permitido adquirir la infraestructura necesaria para sus actividades. En el área computacional, hoy contamos con equipos de almacenamiento de datos y de análisis que nos permiten, entre otras cosas, mantener y procesar el set de datos completo del ACT; realizar simulaciones electromagnéticas de la respuesta de estos telescopios usando nuestra licencia GRASP; realizar simulaciones de los procesos de mapeo del cielo (basado en GPU); y desarrollar técnicas de deep learning para procesamiento de datos crudos (también basado en GPUs). Contamos con los siguientes equipos:
• Morfeo: servidor de datos con 300 TB de almacenamiento. Hoy contiene una copia de todos los datos del telescopio ACT.
• Cerbero: servidor Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2630 v4 @ 2.20GHz, con 256 GB de memoria, equipado con 3x GPUs GeForce GTX 1080 para análisis.
• Hermes: servidor de análisis con Dual CPU Intel(R) Xeon(R) E5-2630 v3 @ 2.40GHz y 128 GB de memoria.
• Hades: servidor con CPU AMD Opteron(tm) Processor 6380 de 64 cores y 128 GB de memoria.
• Kronos: servidor Intel(R) Core(TM) i7 CPU X 980 @ 3.33GHz, con 16 GB de memoria.
• Zeus: servidor Dual AMD EPYC x86 CPU Processor Model 7401 (24c/48t 2.0GHz), con 256 GB de memoria.
En el área instrumental, el grupo cuenta con un laboratorio multiuso equipado, entre otra cosas, con una caja anecóica provista de un robot de 5 ejes para caracterización de antenas; un analizador de espectro de 50 GHz, con extensor para el rango de 110-170 GHz; un analizador de espectros analógico de 25,6 GHz; tres sintetizadores de 18 GHz; además de una larga lista de componentes RF para la construcción y caracterización de fuentes de calibración. Además cuenta con impresoras 3D para prototipado y una estación de soldado electrónico. También dispone de un laboratorio mecánico con una CNC de 4 ejes, sierra de disco, taladro, y otras herramientas para fabricación de piezas. Finalmente cuenta con un laboratorio limpio, equipado para operar bajo presión positiva, para la manipulación de partes delicadas. Para el desarrollo de fuentes de calibración, contamos con un drone DJI Matrice 600 pro, capaz de levantar más de 4 kg de peso a 5500 metros de altura, el cual está siendo utilizado para desarrollar un innovador sistema de calibración que será fundamental en los nuevos telescopios. En cuanto a la alineación de antenas, contamos con un sistema de fotogrametria profesional (VSTARS de GSI), el cual permite alcanzar una precisión de 25 um sobre un espejo de 6 metros de diámetro.
Actualmente, gran parte de nuestros esfuerzos están dirigidos al desarrollo de calibradores polarizados para la caracterización óptica de los telescopios desde drones, lo cual es una técnica muy prometedora que recién está empezando a ser explorada a nivel mundial. La necesidad de este tipo de fuentes surge por la escasez de fuentes de referencia naturales fuertemente polarizadas, lo cual impide alcanzar los altos requerimientos que presentan estos experimentos, entre ellos conocer el ángulo de polarización absoluto de los detectores con una precisión de 0.1 grados. Por su parte, no resulta posible montar estos calibradores sobre torres, ya que la sensitividad de estos telescopios les impide trabajar tan cerca del suelo, por lo que la alternativa es suspender la fuente mediante un drone, globo o satélite artificial. Esto conlleva una serie de dificultades técnicas, al ser imposible mantener la fuente perfectamente fija en el cielo, obligando a conocer con mucha precisión la posición y ángulo de la fuente en el tiempo. Montar una fuente en un drone permite disponer de la fuente cuando sea necesaria, y poder ubicarla casi en cualquier posición respecto del telescopio. Mediante sistemas de GPS diferenciales es posible conocer la posición del drone con una precisión de ~1 cm, mientras que el ángulo de polarización puede ser recuperado usando fotogrametría sobre video. Este proyecto fue financiado por un fondo QUIMAL, y hoy se encuentra en pleno desarrollo, disponiendo de los componentes necesarios para construir fuentes para las bandas de 33-49 GHz y 110-170 GHz. De ser exitoso, este se transformaría en el método oficial para calibrar los telescopios de CMB de Chajnantor. Paralelamente estamos trabajando en un proyecto para diseñar, fabricar e implementar una fuente polarizada de calibración que pueda ser lanzada al espacio en un cubesat.